nghiên cứu mạch lọc tích cực 3 pha 4 dây bằng hệ biến tần đa bậc điều khiển 1 trạng thái

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN QUỐC THÁI NGHIÊN CỨU MẠCH LỌC TÍCH CỰC PHA DÂY BẰNG HỆ BIẾN TẦN ĐA BẬC ĐIỀU KHIỂN TRẠNG THÁI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 605270 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Tp Hồ Chí Minh, tháng 8/2011 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên,, chức danh khoa học, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT, Ngày tháng năm Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Tóm tắt TĨM TẮT Ngày nay, việc điều khiển tốc độ động không đồng thu hút quan tâm nhiều nhà nghiên cứu, phương pháp điều khiển đưa kiểm chứng kết mô phương pháp FOC, DTC cổ điển DTC cải tiến DTC dùng điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM) [4] cho thấy có nhiều ưu điểm bật Cho đến nay, biến tần đa bậc ngày dùng nhiều công nghiệp biến tần bậc cao Việc cấp nguồn cho động không đồng dùng biến tần đa bậc cho hiệu cao việc khiển công tác bán dẫn thực dễ dàng dùng phương pháp CPWM Bài báo trình bày nghiên cứu phương pháp điều khiển momen trực tiếp dùng điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM – DTC) cho hệ thống điều khiển tốc độ động cấp nguồn nghịch lưu áp ba bậc NPC Mơ hình toán học CPWM – DTC xây dựng dựa lý thuyết mơ hình động khơng đồng ba pha hệ trục tọa độ cố định gắn với stator Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang với hàm offset trung bình ứng dụng vào nghịch lưu áp đa bậc NPC Kết nghiên cứu mô kiểm chứng phần mềm Matlab/Simulink cho thấy hệ thống đáp ứng tốt với phương pháp CPWM – DTC đưa -1- Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Abstract ABSTRACT Nowaday, Topic of induction motor speed control was been favourite, control techniques have presented and verified by demo as FOC, classical DTC and modified DTC inside CPWM – DTC have any salient feature Multilevel inverter have used more and more in industry especially high level inverter Induction motor fed by multilevel inverter have good effect To control semiconduction switch is implemented easily by CPWM technique This thesis presents a research on the carrier base pulse width modulation (CPWM) – DTC technique in Motor speed Control system fed NPC three level voltage source inverter Mathematical model of CPWM - DTC has been built based on theory of indution motor model in stator fixed coordinate system CPWM with medium common mode technique has been applied for NPC multilevel voltage source inverter Research results have been simulated and verified on the Matlab/Simulink software which reveals that the system works well with presented CPWM – DTC technique -2- Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục MỤC LỤC TÓM TẮT - ABSTRACT - MỤC LỤC - Chương PHẦN MỞ ĐẦU - Lý chọn đề tài - Mục tiêu, khách thể đối tượng nghiên cứu - Giả thuyết nghiên cứu - Nhiệm vụ nghiên cứu phạm vi nghiên cứu - 4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu - 4.2 Phạm vi nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu - Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT - 2.1 Cơ sở lý thuyết biến tần bậc - 2.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung sóng mang (carier base PWM) - 2.3 Mô nghịch lưu (NL) áp bậc NPC theo phương pháp carier base PWM Matlab / Simulink - 10 2.4 Động không đồng ba pha - 11 2.4.1 Biểu diễn vector không gian cho đại lượng ba pha - 11 2.4.2 Hệ tọa độ cố định stator - 13 - 2.4.3 Hệ tọa độ từ thông rotor (d – q) - 14 - -3- Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục 2.5 Các phương trình động khơng đồng ba pha - 16 - Inverter With Low Switching Frequency, IEEE Transactions on Chương ĐIỀU KHIỂN MOMEN TRỰC TIẾP (DTC) - 19 - M Lakshmi Swarupa, G Tulasi Ram Das and P.V Raj Gopal 3.1 Sơ đồ DTC cổ điển [13] - 19 - Simulation and Analysis of SVPWM Based 2-Level and 3-Level 3.2 Xây dựng mơ hình DTC cải tiến - 24 - Inverters for Direct Torque of Induction Motor, International Journal 3.2.1 Khối DTC & controller - 24 - of Electronic Engineering Research ISSN 0975 - 6450 Volume Khối điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM) - 27 - Number (2009) pp 169–184 power electronics Vol 17, No 2, March 2002 Chương KẾT QUẢ MÔ PHỎNG - 28 - J C Trounce, S D Round, R M Duke, Comparison by 4.1 Các tham số ngõ vào - 28 - simulation of three-level induction motor torque control schemes for 4.2 Tham số động không đồng pha - 28 - electric vehicle applications,University of Canterbury New Zealand 4.3 Thông số khối DTC - 28 - 10 J C Trounce, S D Round, R M Duke, Evaluation of Direct 4.4 Thông số nghịch lưu áp - 29 - torque control using space vector modulation for electric vehicle 4.5 Kết mô phỏng: - 29 - applications, University of Canterbury New Zealand 4.5.1 Trường hợp (TH 1): Tốc độ đặt thay đổi đột ngột (đáp ứng nấc) - 29 - 11 Electrical Engineering Departement, Batna university, Algeria and IUT Brest, Department GEII, university western Brittany, 4.5.2 Trường hợp (TH 2): Tốc độ đặt thay đổi từ từ (có dạng dốc) - 31 - French Modified Direct Torque Control of Permanent Magnet 4.6 Mô phương pháp DTC cổ điển tham số hệ thống không thay đổi, tốc độ đặt tăng lên từ từ - 33 - Techniques of Automatic control & computer engineering IJ-STA, Chương KẾT LUẬN - 42 6.1 Kết đạt luận văn - 42 6.2 Những vấn đề tồn hướng phát triển đề tài - 42 6.2.1 Những vấn đề tồn đề tài - 42 - Synchronous Motor Drives, International Journal of Sciences and Volume 1, N° 2, December 2007, pp 167−180 12 M.Vasudevan and Dr.R.Arumugam New Direct Torque Control cheme of Induction Motor for Electric Vehicles 13 Technical guide No Direct torque control - the world’s most advanced AC drive technology ABB driver, 6.6.2011 6.2.2 Hướng phát triển đề tài - 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO - 44 - -4- - 45 - Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Chương 1 PHẦN MỞ ĐẦU TÀI LIỆU THAM KHẢO Lý chọn đề tài TIẾNG VIỆT Nguyễn Văn Nhờ, Giáo trình Điện tử công suất 1, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2002, 289 trang Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink Dành Cho Kỹ Sư Điều Khiển Tự Động, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008, 482 trang Ngày nay, phương pháp điều khiển momen trực tiếp (DTC) dùng nhiều việc điều khiển tốc độ động không đồng Tuy nhiên, động không đồng cấp nguồn biến tần đa bậc phương pháp DTC cổ điển lại khó áp dụng biến tần có bậc cao Nguyễn Phùng Quang – Andreas Dittrich, Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006, 283 trang Giải pháp đặt áp dụng phương pháp DTC cải tiến để thực dễ dàng biến tần có bậc Phương pháp DTC có điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM) TIẾNG NƯỚC NGOÀI đưa áp dụng cho hệ điều khiển tốc độ động không đồng Ehsan Hassankhan, and Davood A Khaburi, DTC-SVM cấp nguồn biến tần ba bậc NPC Scheme for Induction Motors Fed with a Three-level Inverter, World Academy of Science, Engineering and Technology 44 2008 Journal of electrical engineering, Direct Torque control of induction motor with fuzzy minimization torque ripple, Vol 56, No 7-8, 2005, 183–188 Với ưu điểm kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang chọn sóng mang tạo (n-1) (n số bậc biến tần) sóng điều khiển cho pha ta giảm giá thành so với trường hợp chọn (n – 1) sóng mang sóng điều khiển cho pha Từ đó, tác giả chọn phương pháp điều khiển momen trực Kyo-Beum Lee, Student Member, IEEE, Joong-Ho Song, tiếp có điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM – DTC) để xây Member, IEEE, Ick Choy, and Ji-Yoon Yoo, Member, IEEE, dựng khảo sát đáp ứng hệ điều khiển tốc độ động không Improvement of Low-Speed Operation Performance of DTC for đồng cấp nguồn biến tần bậc NPC, đồng thời so sánh với Three-Level Inverter-Fed Induction Motors, IEEE Transactions on power electronics Vol 48, No 5, October 2001 Kyo-Beum Lee, Student Member, IEEE, Joong-Ho Song, Member, IEEE, Ick Choy, and Ji-Yoon Yoo, Member, IEEE, Torque Ripple Reduction in DTC of Induction Motor Driven by Three-Level - 44 - phương pháp DTC cổ điển Mục tiêu, khách thể đối tượng nghiên cứu Tìm hiểu cách điều khiển cơng tác bán dẫn cho nghịch lưu áp bậc NPC chọn phương pháp tối ưu Thiết lập sơ đồ khối hệ điều khiển tốc độ động không đồng -5- Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục pha cấp nguồn nghịch lưu áp bậc NPC Thiết lập đại lượng vào, đại lượng cho khối, mối quan hệ đại lượng Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục - Chưa có phương pháp kiểm sốt dịng stator suốt trình hệ thống vận hành - Đáp ứng momen có độ gợn cịn lớn Xây dựng mơ hình mơ hệ điều khiển tốc độ động không đồng pha cấp nguồn nghịch lưu áp bậc NPC Matlab/ Simulink So sánh với phương pháp DTC cổ điển - Chưa xây dựng mơ hình thực nghiệm để kiểm chứng kết mơ khảo sát đáp ứng hệ thống thời gian thực 6.2.2 Hướng phát triển đề tài Để đề tài hoàn thiện hơn, cần phải giải vấn đề sau: Giả thuyết nghiên cứu Mô hình mơ động khơng đồng pha xây dựng từ phương trình tốn học Nhiệm vụ nghiên cứu phạm vi nghiên cứu - Khắc phục vấn đề tổn kiểm sốt dịng điện stator độ gợn momen - Xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ thống điều khiển tốc độ động dùng CPWM DTC để kiểm chứng kết mô khảo sát đáp ứng hệ thống theo thời gian thực 4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp điều khiển nghịch lưu áp bậc NPC dùng sóng mang hai sóng điều khiển cho pha Xây dựng mơ hình điều khiển tốc độ hệ động không đồng - Xây dựng mơ hình mơ mơ hình thực nghiệm hệ thống điều khiển tốc độ động dùng CPWM - DTC dùng cấu trúc nghịch lưu áp NPC bậc cấp nguồn nghịch lưu áp pha bậc NPC dùng phương pháp CPWM - DTC môi trường Matlab / Simulink Thực mô phỏng, đánh giá, kết luận 4.2 Phạm vi nghiên cứu Điều khiển tốc độ hệ động không đồng cấp nguồn biến tần bậc NPC dùng phương pháp CPWM – DTC Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu, báo liên quan đến đề tài nghiên cứu: Sơ đồ DTC – SVM cho động cảm ứng cấp nguồn -6- - 43 - Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ pha, dùng tín hiệu điều kiển cần (n-1) sóng mang Phụ lục Stator current 600 2.3 Mô nghịch lưu (NL) áp bậc NPC theo phương 400 pháp carier base PWM Matlab / Simulink Sơ đồ mạch nghịch lưu áp pha bậc NPC hình 2.1 Điện áp hai nguồn Ud / = 240V Bộ nghịch lưu pha dùng linh kiện IGBT lý tưởng Tải 3pha đối xứng gồm RL mắc nối tiếp pha; R =  , L = 20mH Magnitude (A) 200 -200 -400 Để tạo tín hiệu điều khiển công tác bán dẫn pha (chẳng hạn cho pha a), ta thực so sánh tín hiệu điều khiển Vdka với sóng mang Trong này, chọn sóng mang bố trí pha (Vc1 Vc2) có tần số kHz, biên độ [0,1] [1,2] Sóng sin pha có tần số 30Hz, số điều chế m = 0,5 Nếu Vdka > Vc1 Sa11 = 1, Sa12 = Vdka < Vc1 Sa11 = 0, Sa12 = Vdka > Vc2 Sa21 = 1, Sa22 = -600 1.5 2.5 Time (s) 3.5 Hình 17: Dòng điện stator – TH b Quy luật dòng điện thể rõ thời điểm độ (t = 1s) chế độ xác lập (t = 1.5s) đến thời điểm dừng tải (t = 3s) Tuy nhiên dòng stator lúc hãm tải cách đột ngột có giá trị lớn (600V) Tốc độ rotor thay đổi từ từ tương ứng với tốc độ đặt xảy tượng vọt lố (như hình 4.18) Rotor speed 600 Vdka < Vc2 Sa21 = 0, Sa22 = 500 Từ sơ đồ ta có điện áp pha a với mass (2.6) Tương tự cho điện áp pha b, c Dịng điện pha tải có dạng sin, biến thiên tần số biên độ lệch pha góc 120o hình 2.2 - 10 - Rotor speed (rpm) U d   khi( S a11  S a 21  1)    Vao  0khi( S a12  S a 21  1)  U  d  khi( S a12  S a 22  1)   400 Toc rotor Toc dat 300 200 100 -100 1.5 2.5 Time (s) 3.5 Hình 18: Tốc độ rotor – TH b Đáp ứng momen cách tổng thể hình 4.19 - 39 - Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Iabc 40 30 M a g n itu d e ( A ) 20 10 -10 -20 -30 -40 0.01 0.02 0.03 0.04 05 Time (s) 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình 2: Dạng dịng điện pha tải ia, ib, ic – NL bậc Điện áp nghịch lưu pha a Vao hình 2.3 Vao 250 200 150 100 M a g n itu d e(V ) Hình 15: Đáp ứng momen – TH a Đáp ứng từ thơng suốt q trình bớt dao động so với trường hợp b (như hình 4.16) 50 -50 -100 -150 -200 Stator flux -250 0.9 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Time (s) 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 Hình 3: Điện áp nghịch lưu pha a – NL bậc 0.8 0.7 Điện áp nghịch lưu đạt có ba mức -Vd/2 = -240V, 0V 0.6 Flux (Wb) Vd/2 = 240V 0.5 0.4 0.3 2.4 Động không đồng ba pha 0.2 0.1 1.5 2.5 3.5 Time (s) Hình 16: Đáp ứng từ thơng - TH a TH b Tốc độ đặt thay đổi đột ngột Dòng điện stator cách tổng thể hình 4.17 - 38 - 2.4.1 Biểu diễn vector không gian cho đại lượng ba pha Động khơng đồng ba pha có ba cuộn dây stator với điện áp ba pha bố trí khơng gian hình 2.4 - 11 - Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Stator current 600 400 Magnitude (A) 200 -200 Hình 4: Vị trí khơng gian pha Phương trình điện áp stator : -400 (2.7) Với : -600 1.5 2.5 Time (s) 3.5 Hình 43: Dịng điện stator – TH a Tốc độ rotor tăng giảm theo tốc độ đặt hình 4.14 (2.8) Rotor speed 600 500 khơng đồng có cuộn dây lệch góc Nếu mặt cắt ta thiết lập hệ tọa độ phức với trục thực qua trục cuộn dây pha A động cơ, ta xây dựng vector không gian cho điện áp stator: Rotor speed (rpm) Về phương diện mặt phẳng học (mặt cắt ngang), động 400 Toc rotor Toc dat 300 200 100 (2.9) (2.10) Theo công thức (2.32), vector us(t) vector có modul khơng đổi quay mặt phẳng phức với tốc độ góc tạo với trục thực (trục cuộn dây pha A) góc pha (fs tần số mạch 1.5 2.5 Time (s) 3.5 Hình 54: Tốc độ rotor – TH a Đáp ứng momen trường hợp thay đổi điểm mốc thời gian hình 4.15 stator) Việc xây dựng mơ tả hình 2.5 - 12 - - 37 - Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Tốc độ Phụ lục Độ gợn từ thơng stator (50Hz) CPWM DTC DTC cổ điển Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Độ gợn momen (50Hz) CPWM DTC DTC cổ điển lên 500 rpm 0.0002823 0.00918 14,05 11,37 500 rpm xuống 0.0002945 0.0007291 24,86 20,41 Hình 2.5: Xây dựng vector khơng gian từ đại lượng pha Điện áp pha hình chiếu vector điện áp stator lên trục cuộn dây tương ứng Đối với đại lượng khác động Như so với DTC cổ điển CPWM - DTC có tổng độ méo hài dịng điện nhỏ hơn, độ gợn từ thơng stator nhỏ hơn, dịng điện khởi động nhỏ độ gợn momen lại lớn Trong trường hợp mơ trên, dịng điện khởi động (dòng điện độ) khắc phục để không tăng cao, tránh hư hại linh kiện bán dẫn làm mơ hình thực nghiệm chưa khắc phục dịng điện đảm bảo khoảng (4 – 7) lần Iđm lý thuyết Mô tổng thể hệ điều khiển tốc độ động không đồng ba trường hợp: TH a Tốc độ đặt thay đổi đột ngột, có dịng khởi động nhỏ với: t = 1s, tốc độ đặt thay đổi từ lên 500 rpm Tại t = 3s tốc độ đặt thay đổi từ 500 rpm xuống Tại t = 1.5s, momen tải 950 N*m Tại t = 3.5s, momen tải -950 N*m Dòng điện stator đo tăng lên thời điểm momen điện từ tăng (tại t = 1.5s) sau giữ giá trị ổn định, tốc độ đặt giảm ( t = 3s) dịng điện giảm theo (xem hình 4.13) dịng rotor, dịng stator, từ thơng rotor từ thơng stator xây dựng vector không gian tương tự điện áp stator 2.4.2 Hệ tọa độ cố định stator Vector khơng gian điện áp stator có modul |us| quay mặt phẳng phức với tốc độ góc ωs tạo với trục cuộn dây A góc ωst Đặt tên trục cuộn dây pha A trục thực α trục vng góc với trục ảo β Khi ta có hệ tọa độ hệ tọa độ cố định stator (α – β) vector khơng gian mơ tả thông qua thành phần trục thực α trục ảo β Hình 2.6: Hệ tọa độ stator (α - β) - 36 - - 13 - Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Bằng cách chiếu vector không gian lên hai trục tọa độ α – β ta Stator flux 0.9 tính thành phần theo hai trục tọa độ phương pháp 0.8 hình học Xét thành phần vector điện áp hệ trục tọa độ (α – β): 0.7 Flux (W b) (2.11) Phụ lục 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1.5 2.5 Time (s) Suy ra: (2.12) Theo phương trình ta cần xác định hai thành phần điện áp pha A pha B ta xác định vector điện áp khơng gian, điện áp ba pha cân bằng, điện áp pha C nằm sẵn phương trình: (2.13) 2.4.3 Hệ tọa độ từ thơng rotor (d – q) Hình 32: Đáp ứng từ thông pp DTC cổ điển tốc độ đặt có dạng dốc Chúng ta thấy, với thơng số hệ thống phương pháp DTC điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM) cho đáp ứng ngõ có độ gợn tổng độ méo hài nhỏ nhiều so với phương pháp DTC cổ điển So sánh CPWM - DTC DTC cổ điển (ở trường hợp tốc độ đặt có dạng dốc) Bảng 4.1: Bảng so sánh dòng điện khởi động tổng độ méo hài dòng điện Tốc độ Trong mặt phẳng hệ tọa độ (α – β) ta xét thêm hệ tọa độ so với hệ tọa độ stator Khi tồn hai tọa độ vector khơng gian biểu diễn hai tọa độ Trong đó: Tổng độ méo hài dòng điện (%) CPWM DTC DTC cổ điển lên 500 rpm 150 900 55,06 154,79 500 rpm xuống 300 250 35,98 101,53 thứ hai có trục hồnh d trục tung q, hệ tọa độ có chung điểm gốc nằm lệch góc Dịng điện khởi động (A) CPWM DTC DTC cổ điển quay trịn quanh góc tọa độ chung, với Bảng 4.2: Bảng so sánh độ gợn từ thông stator độ gợn momen - 14 - - 35 - Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Rotor speed 600 Rotor speed (rpm) 500 400 Toc Rotor Toc dat 300 Hình 7: Mối liên hệ tọa độ (α – β) tọa độ (d-q) 200 Từ hình ta biểu diễn mối liên hệ hai tọa độ 100 công thức 1.2 1.4 1.6 1.8 2.2 Time (s) 2.4 2.6 2.8 Hình 10: Tốc độ Rotor pp DTC cổ điển tốc độ đặt có dạng dốc Đáp ứng momen phương pháp DTC cổ điển có độ gợn cao (như hình 4.11) (2.14) Và ta lại có: (2.15) Biến đổi hai phương trình ta mối liên hệ hai tọa độ trên: (2.16) Các hệ phương trình có tác dụng chuyển từ hệ tọa độ (α – β) sang (d-q) ngược lại cho điện áp stator áp dụng cho thành phần khác động Khi xét hệ tọa độ (d-q), ta cho trục d trùng với trục từ thông rotor quay với tốc độ góc với Hình 21: Đáp ứng momen pp DTC cổ điển tốc độ đặt có dạng dốc Đáp ứng từ thông phương pháp DTC cổ điển không mịn phương pháp CPWM – DTC (xem hình 4.12) - 34 - tốc độ góc vector từ thơng rotor - 15 - Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Stator flux 0.9 0.8 0.7 Flux (Wb) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1.5 2.5 Time (s) Hình 8: Biểu diễn vector khơng gian hệ tọa độ (d – q) ● Trong hệ tọa độ từ thơng rotor, vector dịng stator vector từ thông rotor quay với hệ tọa độ (d – q), phần tử vector dòng rotor đại lượng chiều, chế độ xác lập giá trị gần không đổi; cịn q trình q độ, đại lượng biến thiên theo thuật toán định trước Hình 8: Đáp ứng từ thơng tốc độ đặt có dạng dốc 4.6 Mơ phương pháp DTC cổ điển tham số hệ thống không thay đổi, tốc độ đặt tăng lên từ từ Dịng điện stator tăng cao từ thơng không cho tăng lên từ từ tốc độ đặt cho tăng từ từ (xem hình 4.9) Trong trường hợp độ gợn độ méo hài dòng điện stator lớn so với trường hợp DTC dùng CPWM ● Một ưu điểm thành phần từ thông rotor trục (q) có Stator current giá trị vng góc với từ thơng rotor trùng với trục (d), từ 800 thơng rotor cịn thành phần theo trục (d) đại lượng chiều 600 2.5 Các phương trình động không đồng ba pha Để xây dựng phương trình cho động cơ, ta lý tưởng hóa giả thiết sau: Magnitude (A) 400 200 -200 -400 ● Các cuộn dây stator bố trí đối xứng không gian ● Bỏ qua tổn hao sắt từ bão hòa mạch từ ● Dòng từ hóa từ trường phân bố hình sin khe hở khơng khí ● Các giá trị điện trở điện kháng xem không thay đổi - 16 - 1.2 1.4 1.6 1.8 Time (s) 2.2 2.4 2.6 2.8 Hình 9: Dịng điện stator pp DTC cổ điển tốc độ đặt có dạng dốc Tốc độ rotor tương tự trường hợp (xem hình 4.10) - 33 - Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Tốc độ rotor tốc độ đặt trường hợp bám sát (xem hình 4.6) Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Phương trình điện áp ba cuộn dây stator: Rotor speed 600 Rotor speed(rpm) 500 400 Toc Rotor Toc to dat (2.17) 300 200 100 1.2 1.4 1.6 1.8 Time (s) 2.2 2.4 2.6 2.8 Hình 6: Tốc độ Rotor – TH Monen điện từ trường hợp có khác so với TH 1, t = 1.5s momen đặt thay đổi đột ngột momen điện từ có vọt lên giá trị 950N.m hình 4.7 Hình 9: Sơ đồ mạch điện tương đương động không đồng Biểu diễn điện áp theo dạng vector: (2.18) Thay phương trình điện áp pha ta được: (2.19) Tương tự ta có phương trình điện áp mạch stator quan sát hệ quy chiếu rotor: Hình 7: Đáp ứng momen – TH Đáp ứng từ thông trường hợp tương tự trường hợp (hình 4.8) (2.20) Các vector từ thông stator rotor: (2.22) - 32 - - 17 - Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Phương trình moment: (2.23) L M  p m  rd i sq   rq i sd  Lr Hay: Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Trước thời điểm t = 1s từ thông stator khống chế để tăng lên từ từ giúp dòng điện stator không tăng cao, đến t = 1s từ thơng stator đạt từ thơng định mức (xem hình 4.4) Stator flux (2.14) 0.9 0.8 0.7 Flux (Wb) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1.2 1.4 1.6 1.8 Time (s) 2.2 2.4 2.6 2.8 Hình 4: Đáp ứng từ thơng stator – TH 4.5.2 Trường hợp (TH 2): Tốc độ đặt thay đổi từ từ (có dạng dốc) Trong trường hợp tốc độ đặt tăng lên từ từ, từ thơng đặt tăng lên từ từ nên dịng điện khởi động (tại t = 1s) có giá trị nhỏ (hình 5.6) giữ giá trị thời điểm momen đặt thay đổi từ lên 950M.m (tại t = 1.5s) Ở chế độ xác lập dịng điện stator có giá trị tương ứng Stator current 600 400 M a g n itu d e ( A ) 200 -200 -400 -600 1.2 1.4 1.6 1.8 Time (s) 2.2 2.4 2.6 Hình 5: Dịng điện stator – TH - 18 - - 31 - 2.8 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Khi tốc độ đặt tăng đột ngột dòng stator tăng đột biến tốc độ thực tế rotor tăng lên từ từ hình 4.2 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Chương ĐIỀU KHIỂN MOMEN TRỰC TIẾP (DTC) Rotor speed 600 3.1 Sơ đồ DTC cổ điển [13] Rotor speed (rpm) 500 Toc Roto Toc dat 400 300 200 100 1.2 1.4 1.6 1.8 Time (s) 2.2 2.4 2.6 2.8 Hình 2: Tốc độ rotor – TH Tại t = 1s, tốc độ đặt tăng đột ngột nên momen điện từ tăng lên nhanh chóng, sau giảm Tại t = 1.5s, đóng tải, momen điện từ tăng lên bám theo momen tham chiếu suốt thời gian hoạt động định mức, momen điện từ momen tham chiếu có giá trị tương đương tương đương với momen tải (xem hình 4.3) Hình 1: Sơ đồ cấu trúc điều pp DTC cho động không đồng Ở sơ đồ hình 4.1 bao gồm khâu rõ rệt Khâu 1: Đo điện áp dòng điện: thực phép đo lường thơng thường Dịng điện pha a, b đo điện áp chiều biến tần trạng thái chuyển mạch nghịch lưu đưa đến khâu Khâu 2: Mơ hình động (Adaptive Motor Model): Các thơng số đưa vào mơ hình động Từ mơ hình động dự báo xác thơng số u cầu ngõ độ lớn momen, biên độ từ thông vị trí sector Cịn gọi Hình 3: Đáp ứng momen – TH - 30 - khâu ước lượng từ thông, mô men động - 19 - Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Cơ sở tính tốn: Kp = 30, Ki = 200 Vector từ thơng stator tính theo điện áp stator dòng điện Phạm vi momen ngõ [ -1200, 1200] stator hệ trục tọa độ cố định stator  s   (v sd  Rs i sd )dt  j  (v sq  Rs i sq )dt Giới hạn tốc độ [ -900, 900] (3.1) 4.4 Thơng số nghịch lưu áp Trong vs is điện áp dòng điện stator Điện áp DC cấp 480V Rs điện trở cuộn dây stator Tần số chuyển mạch 5kHz (4.2) Hệ số điều chế 0,5  sd   (v sd  Rs i sd )dt phần thực ψs  sq   (v sq  Rs i sq )dt phần ảo ψs Thực (4.3)hiện điều chế độ rộng xung sóng mang 4.5 Kết mơ phỏng: Độ lớn từ thông stator s   sd  sq (3.2) Góc vector từ thơng stator  sq   tan 1 ( )  sd (3.3) 3P ( sd i sq   sq i sd ) 4.5.1 Trường hợp (TH 1): Tốc độ đặt thay đổi đột ngột (đáp ứng nấc) (4.4) Dòng điện stator tăng nhanh thời điểm tốc độ đặt thay đổi đột ngột từ lên 500rpm (t=1s), t = 1s từ thơng có giá trị từ thơng(4.5) định mức giá trị cịn tăng cao Sau dịng điện stator giảm, dòng điện tăng lên ổn định momen điện từ đạt 950Nm (thời điểm xác lập) (xem hình 4.1) Momen động tính theo cơng thức Te  Thời gian lấy mẫu 140ms (4.1) (3.4) (4.6) Stator current 800 600 Khâu 3: Bộ so sánh từ thông mômen: Magnitude (A) 400 200 -200 -400 -600 -800 Hình 2: Khâu hiệu chỉnh Flux Torque - 20 - 1.2 1.4 1.6 1.8 Time (s) 2.2 2.4 2.6 Hình 1: Dịng điện stator – TH - 29 - 2.8 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Chương KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Thực mơ hệ thống điều khiển tốc độ động KĐB ba pha dùng phương pháp DTC cấp nguồn nghịch lưu áp bậc NPC Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Giá trị đặt độ lớn từ thông stator momen so sánh với giá trị thực, sai số thu đầu vào cho hai khối trễ vị trí tương ứng (hình 3.2) Ngõ so sánh từ thông nhận hai giá trị (-1) cho biết từ thông giảm, (+1) từ thơng tăng Ngõ so sánh momen nhận ba giá trị (-1) cho 4.1 Các tham số ngõ vào biết momen giảm, (0) cho biết momen khơng thay đổi, (+1) Tại thời điểm t = 1s tốc độ tham chiếu 500 rpm Tại thời điểm t = 3s (ở trạng thái xác lập) momen tải 950N.m 4.2 Tham số động không đồng pha momen tăng Đầu khối trễ này, với vị trí từ thông stator sử dụng làm đầu vào bảng chọn Vị trí từ thơng stator Cơng suất định mức: 149200VA = 149,2 KVA chia làm sector riêng biệt Sai số độ lớn từ thông stator Điện áp dây – dây: 380 Vrms momen hạn chế dải trễ tương ứng Người ta chứng Tần số điện áp: 50Hz minh dải trễ từ thơng tác động mạnh đến méo dịng điện Tốc độ định mức: 1500 rpm stator vùng sóng hài thấp cịn dải trễ momen tác động mạnh đến Điện trở stator: Rs = 0,01485 ohm tần số chuyển mạch Độ tự cảm cuộn stator: Ls = 0,3027 mH Điện trở rotor: Rr = 0,01485 ohm Khâu 4: Khối bảng chọn vectơ điện áp tối ưu (Optimum Pulse Selector): Độ tự cảm cuộn dây rotor: Lr = 0,3027 mH Cơ sở thực chọn vector điện áp tối ưu: Độ hỗ cảm: Lm = 10,46 mH Vector điện áp stator không gian pha: Số cặp cực: P = Momen tải: T = 149,2 * 9550 / 1500 = 950 N.m u s (t)  2 j120 j240  u sa ( t )  u ( t )e  u sc ( t )e   sb 3 (3.5) Trong usa , usb , usc giá trị tức thời điện áp 4.3 Thông số khối DTC Chọn từ thông có giá trị 0,8wb pha Khi cuộn dây ni biến tần nguồn áp ua, Bộ điều khiển momen có Kp = 1,5; Ki = 100 ub, uc, xác định từ trạng thái công tác bán dẫn Sa, Sb, Sc, Bộ điều khiển từ thơng có: Kp = 250; Ki = 4000 Theo ua nối với Ud Sa có giá trị 1, ngược lại ua nối Bộ điều khiển tốc độ động (speed controller) đất, tương tự ub, uc - 28 - - 21 - Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Do ta có vector điện áp khác khơng V1(100),V2(110), V3(010), V4(011), V5(001), V6(101) hai vector không V7(0,0,0) V8(0,0,0) Sáu vector điện áp khác không lệch 600 chúng biểu diễn hình Tám vector điện áp biểu diễn theo công thức: j120 j240   Sc e U s (Sa , S , Sc )  Udc Sa  S e   b b (3.6) Các vector điện áp tương ứng với trạng thái đóng ngắt hình 4.4 4.5 đặt sector tương ứng hình 4.6 ( Hình 11: Sơ đồ mơ tổng thể khối DTC hoàn chỉnh Khối điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM) Khối CPWM nhận tín hiệu ngõ vào Va, Vb, Vc cho tín hiệu ngõ 12 xung kích (ở ngõ so sánh) Sơ đồ khối khối CPWM hình 3.12 Hình 12: Sơ đồ khối CPWM Sơ đồ mô hệ điều khiển tốc độ động dùng phương pháp CPWM – DTC cấp nguồn biến tần bậc NPC hình 3.15 Hình 3: Các Sector hệ tọa độ αβ Nếu vector không gian từ thông stator nằm sector thứ k, với k = 1,2 ,6, biên độ vector từ thông stator tăng cách dùng vector chuyển mạch u k , u k 1 , u k 1 ; nhiên biên độ giảm cách chọn u k  , u k  , u k 3 Giả sử ta có vector từ thơng ψs sector hình 3.4 - 22 - Hình 15: Sơ đồ mơ hệ điều khiển tốc độ động KĐB pha dùng phương pháp CPWM - DTC  - 27 - Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Hình 8: Sơ đồ mô khối speed controller Khối ước lượng từ thông mômen Sơ đồ khối khối ước lượng momen từ thơng hình 3.11 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Hình 4: Vector từ thơng stator sector Tại điểm mút vector ψs ta vẽ vector điện áp hình 3.4, từ thơng tăng ψ = +1, ngược lại ψ = -1, tương tự momen, momen tăng, giảm khơng đổi (= 0) Khi ta có bảng chuyển mạch tối ưu bảng 3-1 Bảng 3-1: Bảng chuyển mạch tối ưu Hình 9: Sơ đồ mô khối ước lượng từ thông momen Sơ đồ mơ tồn khối DTC & controller matlab / simulink hình 3.10 Hình 10: Sơ đồ mô tổng thể khối DTC & cotroller Khối DTC kèm theo khâu đo lường hình 3.11 - 26 - - 23 - Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục 3.2 Xây dựng mơ hình DTC cải tiến Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Phụ lục Khối speed controller matlab / simulink có sơ đồ hình Với mơ hình DTC cổ điển, người ta thực chọn vector 3.7 Khối có nhiệm vụ hiệu chỉnh giá trị momen đặt Te* từ chuyển mạch tối ưu từ vị trí vector từ thông stator sai lệch momen, thông đặt Flux* từ sai lệch tốc độ đặt tốc độ thực động sai lệch từ thông Trong trường hợp nghịch lưu áp có bậc cao (tốc độ đo được) cách làm phức tạp Mơ hình truyền động động khơng đồng pha dùng DTC đưa hình 3.5 Hình 3: Sơ đồ nguyên lý khối speed controller Ngõ Te* liên quan đến sai lệch tốc độ đặt tốc độ thực  Hình 5: Sơ đồ khối hệ điều khiển tốc độ động KĐB pha dùng DTC động sau: Te *  K p e(t )  K i e(t ) dt 3.2.1 Khối DTC & controller Sơ đồ khối [4] hình 3.6 Từ thơng đặt Flux* có giá trị phụ thuộc vào tốc độ khởi tạo rotor: Nếu ≤ tốc độ rotor ≤ tốc độ khởi tạo rotor Flux* = (3.7) Trong e(t) sai lệch tốc độ đặt wr* tốc độ đo wr Nếu tốc độ rotor > tốc độ khởi tạo tốc độ thay đổi → Flux* thay đổi theo Sơ đồ mô khối controller hồn chỉnh matlab/ simulink hình 3.8 Hình 6: Sơ đồ khối Khối DTC & cotroller - 24 - - 25 -