ba bậc tự do trong điều chế vector điều khiển nghịch lưu hai mức nguồn áp và tác động tới chất lượng điện áp ra của việc phân chia thời gian sử dụng hai trʊng thái không

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐƱI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI THỊ QUỲNH TRANG BA BẬC TỰ DO TRONG ĐIỀU CHẾ VECTOR ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU HAI MỨC NGUỒN ÁP VÀ TÁC ĐỘNG TỚI CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP RA CỦA VIỆC PHÂN CHIA THỜI GIAN SỬ DỤNG HAI TRƱNG THÁI KHÔNG Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA Khóa: 2012B LUẬN VĂN THƱC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS TSKH Nguyễn Phùng Quang Hà Nội – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học trình bày luận văn thành nghiên cứu thân hướng dẫn GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Các kết đạt xác trung thực Tác giả luận văn Bùi Thị Quỳnh Trang LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc dẫn ân cần, tận tình tâm huyết thầy giáo hướng dẫn GS TSKH Nguyễn Phùng Quang suốt trình tìm hiểu đề tài luận văn bước thực hoàn thành nghiên cứu Tuy thân tơi kinh nghiệm cịn non trẻ thầy ln sát cánh dẫn nhiệt tình Bên cạnh quan tâm, động viên sống chia sẻ thầy mà cảm nhận giống tình cảm người cha giành cho gái Tơi biết ơn điều xin chân thành cảm ơn thầy Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới anh NCS anh học trò thầy giúp đỡ nhiều từ lúc đầu bỡ ngỡ Hà Nội đến lúc hồn thành luận văn Sự quan tâm, tình cảm yêu mến theo sát bước động viên tinh thần nguồn lực lớn giành cho tơi Tơi nhìn thấy anh có nhiều điều hay đáng để học tập không ngừng phấn đấu Qua đây, xin gửi lời cảm ơn tới tình u thương vơ bờ bến mà gia đình giành cho tơi Xin cám ơn người bạn người cộng nguồn động viên lớn mặt tinh thần cho suốt thời gian qua Đặc biệt cổ vũ, giúp đỡ nhiệt tình thầy cô đồng nghiệp công tác trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu Cuối cho xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo trường ĐHBK Hà Nội dạy dỗ tâm huyết giúp chúng tơi hồn thành tốt khóa học cao học Một lần tơi xin chân thành cảm ơn Người thực Bùi Thị Quỳnh Trang MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 11 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ VECTOR 12 1.1 Khái niệm không gian vetor chuyển hệ tọa độ 12 1.2 Mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha hai mức 16 1.3 Nguyên lí điều chế vector điện áp 21 1.4 Các hạn chế thuật toán 24 1.5 Các dạng điều chế đặc biệt khác 26 1.5.1 Điều chế hai nhánh van 26 1.5.2 Điều chế ngẫu nhiên 27 BA BẬC TỰ DO TRONG ĐIỀU CHẾ VECTOR ĐIỆN ÁP 29 2.1 Khái nệm ba bậc tự điều chế vector điện áp 29 2.2 Thời gian sử dụng vector điện áp có module khơng 33 2.2.1 Chia cho UNO=0 33 2.2.2 Chia hai vector có module không 36 2.2.3 Chỉ sử dụng hai vector có module khơng 39 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK 40 3.1 Ảnh hưởng điện áp common mode 40 3.2 Kết mô phương pháp điều chế vector chuẩn 41 3.3 Kết mô phương pháp điều chế cho UNO  45 KẾT QUẢ KIỂM CHỨNG THƠNG QUA VÍ DỤ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 49 4.1 Hệ truyền động điện xoay chiều ba pha động Rotor lồng sóc 49 4.2 Ví dụ cho phương pháp điều chế vector chuẩn 52 4.3 Ví dụ cho phương pháp điều chế vector cho UNO=0 5656 KẾT LUẬN 62 Tài liệu tham khảo 63 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các chữ viết tắt Chữ viết tắt NL DC AC ĐCVT KĐB ĐC NLNA IGBT PWM ĐCVT SVM UPS TĐĐ ĐCHNV CL DSP XCBP FOC IC BĐK ĐKTĐ SPVM Ý nghĩa Nghịch lưu Dòng điện chiều Dòng điện xoay chiều Điều chế vector Không đồng Điều chế Nghịch lưu nguồn áp Các van Insulated Gate Bipolar Transitor Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) Điều chế vector không gian Space Vector Modulation Uninterruptible Power Supply (bộ lưu điện) Truyền động điện Điều chế hai nhánh van Chỉnh lưu Digital Signal Processing (công nghệ xử lý tín hiệu số) Xoay chiều ba pha Field Oriented Control (điều khiển tựa theo từ thơng) Intergated circuit (mạch tích hợp) Bộ điều khiển Điều khiển truyền động Phương pháp điều chế độ rộng xung sin Các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị us u07 S1 V1 7 Z T1,2 T0,7 U dc U NO T Tzero Ts fs  abc dq Tpulse f pulse Rs Rr Ls Lr Lm is ir s r s Hz   H H H Ý nghĩa Vector điện áp Các vector điện áp chuẩn không gian vector Các sector không gian Các van nghịch lưu Các tổ hợp trạng thái logic van Thời gian sử dụng hai vector biên Thời gian sử dụng vector có module khơng Điện áp nguồn ni nghịch lưu Điện áp trung tính phía phụ tải Tổng thời gian thực hai vector biên Tổng thời gian sử dụng trạng thái khơng Chu kì xung Tần số xung Hệ tọa độ cố định Hệ tọa độ ba pha abc Hệ tọa độ quay dq Chu kì xung nhịp Tần số xung nhịp Tải xoay chiều ba pha Điện trở phía stator Điện trở phía rotor Điện cảm phía stator Điện cảm phía rotor Hỗ cảm hai cuộn dây Vector dòng stator Vector dòng rotor Vector từ thông stator Vector từ thông rotor DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các giá trị tính tốn mạch nghịch lưu hai mức 19 Bảng 2.1 Thời gian kích đóng ngắt van theo phương pháp ĐCVT chuẩn… 38 Bảng 4.1 Các thông số mô động cơ………………………………….52 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ cuộn dây điện áp stator ĐCXCBP 12 Hình 1.2 Vector điện áp stator hệ tọa độ cố định αβ 13 Hình 1.3 Vector khơng gian điện áp stator điện áp pha 14 Hình 1.4 Biểu diễn vector dịng stator hệ tọa độ dq 15 Hình 1.5 Sơ đồ mạch nghịch lưu sáu khóa 17 Hình 1.6 Sơ đồ mạch tương đương trạng thái 100 18 Hình 1.7 Các trạng thái chuyển mạch nhánh van NL 18 Hình 1.8 Vector không gian tương ứng trạng thái 110 20 Hình 1.9 Các vector chuẩn không gian vector 20 Hình 1.10 Thực vector điện áp sector thứ 22 Hình 1.11 Minh họa giới hạn vùng có ích điều chế điện áp 24 Hình 1.12 Vùng cấm điện áp toàn mặt phẳng vector 25 Hình 1.13 Điều chế hai nhánh van phương án sector S1 26 Hình 1.14 Điều chế hai nhánh van phương án sector S1 27 Hình 2.1 Vector us thực tổng nhiều vector chuẩn 30 Hình 2.2 Sự chuyển đổi tổ hợp trạng thái đóng ngắt NL 31 Hình 2.3 Thực hai chu kì liên tiếp điều chế vector 34 Hình 2.4 Kích đóng ngắt nhánh van sector 37 Hình 3.1 Mạch chỉnh lưu, nghịch lưu động 40 Hình 3.2 Mơ nghịch lưu khối điều chế vector 42 Hình 3.3 Khối điều chế vector điện áp chuẩn 42 Hình 3.4 Mạch nghịch lưu ba pha Matlab Simulink 43 Hình 3.5 Dịng đầu ba pha iAB , iBC , iCA 43 Hình 3.6 Điện áp ngõ phía phụ tải U AB ,U BC ,U CA 44 Hình 3.7 Điện áp trung bình ngắn hạn U AB ,U BC ,U CA 44 Hình 3.8 Điện áp trung bình U AO ,U BO ,U CO U NO 45 Hình 3.9 Điện áp trung bình U A ,U AO ,U NO 45 Hình 3.10 Khối điều chế vector cho U NO  46 Hình 3.11 Dịng đầu ba pha iAB , iBC , iCA 46 Hình 3.12 Điện áp trung bình ngắn hạnđầu ba pha 47 Hình 3.13 Điện áp trung bình U AO ,U BO ,U CO U NO 47 Hình 3.14 Điện áp trung bình U A ,U AO ,U NO 48 Hình 4.1 Mơ hệ điều khiển truyền động ĐCKĐB 49 Hình 4.2 Mơ hình ĐKTĐ theo phương pháp ĐCVT trực tiếp 50 Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc BĐK dịng điện, tốc độ từ thơng kiểu Dead-Beat 51 Hình 4.4 Mạch cơng suất gồm chỉnh lưu, nghịch lưu gắn với ĐC Plecs 51 Hình 4.5 Đáp ứng dòng điện isd động 52 Hình 4.6 Đáp ứng dòng điện isq động 53 Hình 4.7 Đáp ứng tốc độ động 53 Hình 4.8 Đáp ứng điều chỉnh từ thông động 54 Hình 4.9 Dịng điện ngõ 54 Hình 4.10 Điện áp trung bình ngắn hạn ba pha đầu 55 Hình 4.11 Điện áp trung bình ngắn hạn U AO ,U BO ,U CO ,U NO 55 Hình 4.12 Điện áp trung bình ngắn hạn U A ,U AO ,U NO 56 Hình 4.13 Đáp ứng dòng điện isd động 57 Hình 4.14 Đáp ứng dòng điện isq động 57 Hình 4.15 Đáp ứng tốc độ động 58 Hình 4.16 Đáp ứng điều chỉnh từ thông động 58 Hình 4.17 Dịng điện ngõ ba pha phía phụ tải 59 Hình 4.18 Điện áp trung bình ngắn hạn đầu ba pha phía phụ tải 59 Hình 4.19 Điện áp trung bình ngắn hạn U AO ,U BO ,U CO ,U NO 60 Hình 4.20 Điện áp trung bình ngắn hạn U A ,U AO ,U NO 60 10 KẾT QUẢ KIỂM CHỨNG THƠNG QUA VÍ DỤ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 4.1 Hệ truyền động điện xoay chiều ba pha động Rotor lồng sóc Trong cơng nghiệp hệ truyền động điện ln giữ vai trò quan trọng, động lực thúc đẩy suất chất lượng Hiện hệ truyền động , động không đồng rotor lồng sóc sử dụng rộng rãi nhiều ưu điểm cấu tạo đơn giản dễ chế tạo, giá thành rẻ, vận hành tin cậy, an toàn Động không đồng xoay chiều điều khiển dễ dàng điều khiển độc lập hai đại lượng từ thông moment Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor áp dụng để thực điều Thông qua việc chuyển từ vector không gian ba pha sang hệ tọa độ từ thông rotor dòng điện stator phân ly thành hai thành phần isd điều khiển từ thông thành phần isq điều khiển moment Như hai thành phần từ thông moment điều khiển độc lập, động không đồng ba pha dễ dàng điều khiển Xét hệ truyền động điện xoay chiều ba pha điều khiển động cơ, gồm điều khiển Dead-Beat động khơng đồng rotor lồng sóc có thư viện Plecs hình 4.1: Hình 4.1 Mơ hệ điều khiển truyền động ĐCKĐB 49 Chương trình Simulink lý tưởng cho việc mơ điều khiển Vì vậy, Simulink công cụ thuận tiện cho việc thiết kế khép kín hệ thống điện điều khiển Plecs tăng cường Simulink với khả mô mạch điện trực tiếp Công cụ Plecs cho việc lựa chọn cấu trúc liên kết sức mạnh chuyển đổi, cho phép kích thước thành phần hệ thống quản lý nhiệt, tiến hành khái niệm thực thuật toán điều khiển phức tạp Chức plecs bao gồm phân tích nhiệt, nhiệt thư viện cho phép người dùng thiết kế tản nhiệt bao gồm thiết kế lượng điện tử mạch Phần mềm PLECS phần mềm mô điện tử công suất, sử dụng nhiều nước giới có nhiều ưu điểm: - Nhanh chóng, hiệu - Dễ sử dụng - Thư viện mở - Mơ mơ hình nhiệt mơ hình từ - Có cơng cụ phân tích hiệu Xuất phát từ ý tưởng tiết kiệm chi phí lớn cho khâu đo tốc độ quay, giúp giảm giá thành tăng độ tin cậy thiết bị nên ta dùng phương pháp phương pháp điều chế vector trực tiếp (điều chỉnh động không cần đo tốc độ quay) Bộ điều khiển Dead-Beat với đặc tính động học cao để điều chỉnh dịng điện, tốc độ từ thơng động khơng đồng hình 4.2: Hình 4.2 Mơ hình ĐKTĐ theo phương pháp ĐCVT trực tiếp 50 Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc BĐK dịng điện, tốc độ từ thơng kiểu Dead-Beat Hình 4.4 Mạch công suất gồm chỉnh lưu, nghịch lưu gắn với ĐC Plecs 51 Các thông số động tính theo bảng 4.1: Bảng 4.1 Đối tượng Các thông số mô động Các thông số động Rs  0.37 , Rr  0.42 , z p  , Ls  0.03441H , Lr  0.03425H Lm  0.0331H , J  0.00095Kg.m2 , cos   0.9 , isN  7.4 , F 0.0 nN  3000; nN max  4500 , Tpulse  0.0002s,f pulse  1/ Tpulse Ta không tính tốn thiết kế thơng điều khiển mà coi ví dụ minh họa Bộ điều khiển dịng điện, tốc độ từ thơng theo kiểu Dead-beat mơ hình điều chế vector chuẩn chạy tốt ổn định Ta việc thay khối điều chế vector chuẩn khối điều chế vector chia cho điều chế điện áp cho UNO  tìm vào hệ truyền động để so sánh chất lượng điều khiển hai phương pháp Việc lấy giá trị điện áp trung bình ngắn hạn giống phần mơ chương 4.2 Ví dụ cho phương pháp điều chế vector chuẩn - Xét từ vòng điều chỉnh bên cùng, đáp ứng dòng điện nhanh sau cỡ 0.02s dịng điện isd isq động bám tốt so với dịng điện đặt Hình 4.5 Đáp ứng dịng điện isd động 52 Hình 4.6 Đáp ứng dịng điện isq động Đáp ứng tốc độ động nhanh, sau thời gian ngắn 0.15s tốc độ động bám tốt so với tốc độ đặt Hình 4.7 Đáp ứng tốc độ động Bộ điều chỉnh từ thông đáp ứng tốt, từ thông động bám từ thông đặt sau khoảng thời gian ngắn 0,25s 53 Hình 4.8 Đáp ứng điều chỉnh từ thơng động Khi hệ hoạt động ổn định, ta xét dịng điện áp ngõ có dạng hình sin đẹp: Hình 4.9 Dịng điện ngõ 54 Hình 4.10 Điện áp trung bình ngắn hạn ba pha đầu Khi hệ ổn định ta đo giá trị điện áp trung bình ngắn hạn điểm A,B,C,N so với trung tính phía nguồn ni O Hình 4.11 Điện áp trung bình ngắn hạn U AO ,U BO ,U CO ,U NO 55 Hình 4.12 Điện áp trung bình ngắn hạn U A ,U AO ,U NO Nhận xét: Chất lượng điều khiển hệ truyền động áp dụng phương pháp điều chế vector chuẩn tốt Đáp ứng dòng điện, tốc độ từ thông ổn định nhanh Tuy nhiên điện áp thành phần tần số thấp common mode lớn sóng dao động quanh điểm O dạng hình tam giác với biên độ U NO  5V 4.3 Ví dụ cho phương pháp điều chế vector cho UNO=0 Ta giữ nguyên hệ truyền động điện xoay chiều ví dụ 4.2 thay khối điều chế vector chuẩn khối điều chế lập trình chương thu kết sau: -Đáp ứng dòng điện nhanh sau cỡ 0.02s dịng điện isd isq động bám tốt so với dòng điện đặt 56 Hình 4.13 Đáp ứng dịng điện isd động Hình 4.14 Đáp ứng dịng điện isq động Đáp ứng tốc độ động nhanh, sau thời gian ngắn 0.15s tốc độ động bám tốt so với tốc độ đặt 57 Hình 4.15 Đáp ứng tốc độ động Bộ điều chỉnh từ thông đáp ứng tốt, từ thông động bám từ thông đặt sau khoảng thời gian ngắn 0,25s Hình 4.16 Đáp ứng điều chỉnh từ thông động Khi hệ hoạt động ổn định, ta xét dòng điện áp trung bình ngắn hạn ngõ phía phụ tải xoay chiều ba pha có dạng sin: 58 Hình 4.17 Dịng điện ngõ ba pha phía phụ tải Hình 4.18 Điện áp trung bình ngắn hạn đầu ba pha phía phụ tải Khi hệ ổn định ta đo giá trị điện áp trung bình ngắn hạn điểm A,B,C,N so với trung tính phía nguồn ni O 59 Hình 4.19 Điện áp trung bình ngắn hạn U AO ,U BO ,U CO ,U NO Hình 4.20 Điện áp trung bình ngắn hạn U A ,U AO ,U NO 60 Nhận xét: Phương án điều chế bảo toàn chất lượng điều khiển hệ thống truyền động tốt Điều minh chứng qua việc so sánh hình 4.5 - 4.10 với 4.13 - 4.18 tương ứng  So sánh hình 4.11 - 4.12 với 4.19 - 4.20 cho thấy: Phương án điều chế đưa điện áp U NO (tiếng Anh: Common Mode  Voltage) không Đây ưu điểm quan trọng áp dụng phương pháp cho hệ truyền động công suất lớn, hệ thống phát điện chạy sức gió, nơi mà điện áp common mode nguyên nhân gây phóng điện qua điện dung ký sinh vị trí ổ bi thép Dịng phóng điện gây nên tia lửa hủy hoại ổ bi Việc UNO  góp phần hạn chế thiệt hại Như vậy, phương pháp điều chế cho UNO  giúp ta đảm bảo chất lượng điều khiển, loại bỏ thành phần tần số thấp cuả điện áp common mode mà cịn giúp ta giảm thiểu tổn hao cơng suất tối đa Ngồi ra, áp dụng phương pháp ĐCVT cho UNO  số điều chế đạt tối đa m=0,907 phương pháp ĐCVT chuẩn 61 KẾT LUẬN Đề tài trình bày phương pháp điều chế vector điện áp làm rõ khái niệm “ba bậc tự do” điều chế vector, tận dụng “bậc tự do” để triệt tiêu thành phần tần số thấp điện áp common mode U NO Phương pháp giúp tiết kiệm chi phí đáng kể thu gọn điều khiển thiết kế lọc thành phần tần số thấp điện áp common mode, đặc biệt có ý nghĩa điều khiển công suất cỡ lớn, hệ thống phát điện chạy sức gió Minh chứng cho phương pháp áp dụng cách có hiệu ví dụ cho hệ truyền động điện xoay chiều ba pha rotor lồng sóc Cùng với điều khiển Deat-beat hệ truyền động hoạt động với chất lượng điều khiển tốt, thành phần tần số thấp điện áp common mode triệt tiêu hoàn toàn Tuy nhiên, đề tài dừng việc mô kiểm chứng Matlab Simulink sở để áp dụng nghiên cứu thiết kế phần cứng cho hệ truyền động xoay chiều ba pha thiết thực 62 Tài liệu tham khảo [1] Quang NP (1996) Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha NXB Giáo dục [2] Quang NP, Dittrich JA (2002) Truyền động điện thông minh NXB Khoa học & Kỹ thuật [3] Quang NPNP (2012) Bài giảng Cao học môn “Điều khiển điện tử công suất“ ĐH Bách Khoa Hà Nội [4] Jenni F, Wüest D (1995) Steuerverfahren für selbstgeführte Stromrichter vdf Hochschulverlag AG an der ETH Zürich und B.G Teubner Stuttgart [5] Quang NP (2003) Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động NXB Khoa học & Kỹ thuật(2003) Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động NXB Khoa học & Kỹ thuật [6] Khánh BQ, Liễn NV, Hải PQ, Nghi DV (2008) Điều chỉnh tự động truyền động điện NXB Khoa học & Kỹ thuật [7] Nhờ NV (2008) Điện tử công suất NXB Đại Học quốc gia TPHCM [8] Chính VM, Hải PQ, Nghi DV (2008) Điều chỉnh tự động truyền động điện NXB Khoa học & Kỹ thuật [9] Khánh BQ, Liễn NV, Hải PQ, Nghi DV (2008) Điều chỉnh tự động truyền động điện NXB Khoa học & Kỹ thuật [10] Ph.D Thesis Marcin Żelechowski, M Sc.(2005)Space Vector Modulated – Direct Torque Controlled (DTC – SVM) Inverter – Fed Induction Motor Drive 63