điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha bằng 2 phương pháp điều rộng xung và vector không gian sử dụng DSP TMS320F2812 ket hop matlab nhung Do nghịch lưu hai bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu với tải công suất nhỏ và trung bình nên vấn đề giảm bớt tần số đóng ngắt và giảm sốc điện áp trên linh kiện công suất có ý nghĩa rất quan trọng. Các thuật toán cố gắng thực hiện duy trì trạng thái cân bằng các nguồn điện áp DC và khử bỏ hiện tượng phát sinh điện áp common mode, nguyên nhân gây ra một số hiện tượng làm sớm lão hóa động cơ
MỤC LỤC Mở đầu Chương 1: Tổ ng quan về đô ̣ng không đồ ng bô ̣ ba pha 1.1 Cấu tạo động không đồng ba pha 1.2 Nguyên lý hoạt động động không đồng ba pha 1.3 Các phương pháp điều khiển động không đồng ba pha 1.4 Ứng dụng động không đồng ba pha 1.5 Kế t luâ ̣n chương Chương 2: DSP TMS320F28xx Phẩ n mề m hỗ trơ ̣ lâ ̣p triǹ h cho DSP TMS 320xx 2.1 Cấu trúc điều khiển số DSP TMS320F28xx 2.2 Matlab Hệ thống nhúng DSP TI C2000 2.3 Các cơng cụ hỗ trợ phát triển - Trình biên dịch CCS V3.3 2.4 Kết luâ ̣n chương Chương 3: Xây dựng thuâ ̣t toán điề u khiể n cho biế n tầ n nguồ n áp 3.1 Tổng quan biến tần nguồn áp 3.2 Luật điều khiển biến tần nguồn áp 3.3 Phương pháp điều chế Sine PWM 3.4 Phương pháp điều chế Không gian vector 3.5 Kế t luâ ̣n chương Chương 4: Thiế t kế mô hiǹ h thực nghiệm 4.1 Thiết kế mơ hình BOARD mạch động lực 4.2 Thiết kế mơ hình BOARD mạch điều khiển 4.4 Kết luâ ̣n chương Chương 5: Kết mô thực nghiệm - Kết luận 5.1 Kết mô thực nghiệm phương pháp Sine PWM 5.2 Kết mô thực nghiệm phương pháp SVPWM CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KĐB BA PHA 1.1 Tổng quan động đồng bộ: 1.1.1 Giới thiệu: ĐCKĐB ba pha có ưu điểm cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, dễ bảo trì, giá thành rẻ loại động khác nên sử dụng nhiều công nghiệp Công suất động không đồng từ vài chục w đến vài chục ngàn kW thiết kế theo tiêu chuẩn, thay đổi cơng suất nhà chế tạo sản xuất Nhược điểm động không đồng hệ số cơng suất thấp khó điều chỉnh tốc độ, đặc biệt động dải công suất lớn Động không đồng ba pha rotor lồng sóc động không đồng sử dụng nhiều (đây đối tượng nghiên cứu đề tài) 1.1.2 Cấu tạo: Gồm hai phần chính: Stator Rotor Khi cấp điện áp pha vào dây quấn Stator, lòng Stator xuất dòng điện xoay chiều ba pha, dòng điện tạo từ trường Fs quay với tốc độ n1 xác định biểu thức sau: n1 120 f p (1.1) Trong đó: n1 tốc độ quay từ trường (vòng/phút) f tần số nguồn điện (Hz) p số cực từ động Từ trường móc vòng qua rotor tạo sức điện động cảm ứng dẫn lồng sóc rotor Sức điện động gây dòng điện ngắn mạch I chạy dẫn rotor Trong miền từ trường Stator tạo ra, dẫn mang dòng điện I chịu tác động lực Bio-Savart Có thể nói cách khác: dòng điện I gây từ trường Fr (từ trường cảm ứng rotor), tương tác Fr Fs gây momen kéo rotor quay với tốc độ n theo từ trường quay Fs stator Do đó, tốc độ quay rotor chậm tốc độ quay từ trường đặc trưng hệ số trượt s: s n1 n n1 (1.2) Tốc độ rotor xác định công thức sau: n n1 1 s 120 f 1 s (1.3) p Moment động sinh ra: M p 2m Fm sin r (1.4) Trong đó: m : từ thơng cực (Wb) Fm : giá trị đỉnh sức từ động rotor r : góc lệch pha sức từ động rotor sức từ động khe hở khơng khí 1.1.3 Các phương pháp điều khiển động KĐB 3pha: Dựa vào cơng thức (1.4), có phương pháp điều khiển tốc độ động không đồng xoay chiều pha rotor lồng sóc như: - Điều khiển tốc độ cách thay đổi tần số - Điều khiển tốc độ cách thay đổi số cực từ - Điều khiển tốc độ cách điều khiển hệ số trượt Với phát triển linh kiện điện tử công suất ngày kết hợp với vi sử lý có tốc độ tính tốn cao, phương pháp điều khiển tần số phương pháp điều khiển tối ưu 1.2 Ứng dụng động không đồng Hầu hết động điện động không đồng Trong thực tế, chiếm 80% động điện Phần lớn động không đồng sử dụng từ cơng suất thấp đến trung bình, từ vài chục W đến vài ngàn kW Một số ứng dụng liệt kê đây: - Trong công nghiệp : Cán thép, xi măng, luyện kim, dệt may, vận chuyển… - Trong dân dụng quạt gió, điều hòa, máy nén khí,… Do ứng dụng nhiều nên ước tính khoảng 70% điện sản xuất tiêu thụ động điện So với máy điện DC, việc điều khiển máy điện AC gặp nhiều khó khăn thơng số máy điện AC thông số biến đổi theo thời gian Cho nên việc tách riêng điều khiển moment từ thơng để điều khiển độc lập đòi hỏi hệ thống vi sử lý đủ mạnh tính tốn nhanh xác việc quy đổi giá trị AC biến đơn giản 1.3 Kết luận chương Các máy điện máy phát điện từ lượng (Pacinotti – 1864), động điện từ có rotor (Ferraris - 1885) máy điện kỷ 19 thường có kết nối trực tiếp với nguồn lượng không điều khiển tự động Mặc dù dựa nguyên lý hoạt động máy điện nguyên thủy, máy điện sau gắn vào quy trình cơng nghệ sản xuất ln có u cầu cao khả điều khiển kết nối chủ động với nguồn lượng Để giải vấn đề này, lĩnh vực nghiên cứu hình thành phát triển điện tử cơng suất Bằng cách sử dụng linh kiện điện tử công suất kết hợp kỹ thuật điện tử giải thuật phù hợp, điện tử công suất giúp điều khiển hữu hiệu máy điện khống chế dòng lượng điện từ Điện tử công suất giúp tạo truyền động điện mới, lọc tích cực mới…Ở Việt Nam, thấy tầm quan trọng công nghệ điện tử cơng suất, năm 2010 phủ phê duyệt cơng nhận điện tử công suất lĩnh vực ưu tiên đầu tư phát triển Một cấu trúc truyền động mạch nghịch lưu Bằng cách nghiên cứu phát triển cấu trúc phương pháp điều khiển mạch nghịch lưu có nhiều truyền động khác tối ưu Bên cạnh đó, việc ngày tăng giá thành lượng, cạn kiệt nguồn lượng hóa thạch việc nghiên cứu giải thuật điều chế để giảm tổn hao chuyển mạch vấn đề cấp thiết đặt Tuy nhiên có thực tế hầu hết trường hợp giảm chuyển mạch nhằm giảm tổn hao dẫn đến tăng hệ số méo hài tổng biên độ sóng hài bậc thấp Ngoài ra, việc sử dụng thiết bị điện tử cơng suất phát sinh điện áp common mode làm ảnh hưởng đến tuổi thọ cấu chấp hành Vì vậy, việc nghiên cứu giải pháp điều chế tối ưu làm giảm số lần chuyển mạch linh kiện mạch nghịch lưu, giảm triệt tiêu điện áp common mode mà đảm bảo độ méo hài tổng (THD) biên độ sóng hài bậc thấp nằm giới hạn cho phép theo hàm mục tiêu yêu cầu cấp thiết CHƯƠNG 2: DSP TMS320F28XX VÀ PHẨN MỀM HỖ TRỢ LẬP TRÌ NH CHO DSP TMS 320XX 2.1 Cấu trúc điều khiển số DSP TMS320F28xx Bộ xử lý tín hiệu số (DSP) dạng vi xử lý chuyên dụng Nó có cấu trúc tập lệnh DSP tối ưu hóa cho q trình xử lý tín hiệu số thời gian thực Cấu trúc xử lý tín hiệu số C281x thích hợp tính toán mở rộng C281x xem họ vi điều khiển mạnh TI Bộ xử lý tín hiệu số sử dụng tương đối rộng rãi, từ truyền thông điều khiển đến xử lý giọng nói hình ảnh Chúng ta thấy chúng thiết bị điện thoại di động, máy fax/modem, đĩa cứng, radio, tai nghe, máy in, máy nghe nhạc MP3, HDTV, máy ảnh kỹ thuật số,…đặc biệt DSP sử dụng phổ biến điều khiển động ứng dụng ngành công nghiệp ô tô ứng dụng cơng nghiệp Nhìn chung, DSP quan tâm chủ yếu cần xử lý tín hiệu thời gian thực Xử lý tín hiệu thời gian thực có nghĩa q trình phải theo kịp với điều kiện xảy bên TMS320F2810 TMS320F2812 thành viên họ TMS320C28x DSP, tích hợp cao, hiệu suất cao giải pháp cho yêu cầu ứng dụng điều khiển Bảng 2.1: Các tính phần cứng F28xx Tính F2812 Instruction Cycle (150MHz) 6.67 ns Single-Access RAM (SARAM) (16-bit word) 18K 3.3 V On-Chip Flash (16 bit word) 128K Code Security for On-Chip Flash/SARAM Yes Boot ROM Yes OTP ROM Yes External Memory Interface Yes Event Managers A and B (EVA and EVB) EVA, EVB General-Purpose (GP) Times Compare (CMP)/PWM 16 Capture (CAP)/QEP Channels 6/2 Watchdog Timer Yes 12-bit ADC Yes Channels 16 32-Bit CPU Timer SPI Yes SCIA, SCIB SCIA, SCIB CAN Yes McBSP Yes Digital I/O pins (Shared) 56 Extemal Interrupts Supply Voltage 1.8V Core, 3.3V I/O 179 pin GHH Packaging 176 pin PGF Product Status: Product Preview (PP) PP Advance Information (AI) Production Data (PD) Hình 2.1: Sơ đồ chân F2812 PGF Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc khối chức F2812 10 Hình 5.1: Dòng điện, điện áp dây, điện áp pha tần số 50Hz 5.1.2 Kết thực nghiệm 105 Hình 5.4: Đáp ứng điện áp dây tần số 30Hz Hình 5.5: Đáp ứng điện áp dây tần số 40Hz 106 Hình 5.6: Đáp ứng điện áp dây tần số 50Hz Hình 5.7: Đáp ứng điện áp dây tần số 70Hz Tín hiệu điện áp pha đo tần số khác nhau: 107 Hình 5.8: Đáp ứng điện áp pha tần số 30Hz Hình 5.9: Đáp ứng điện áp pha tần số 50Hz 108 Hình 5.10: Đáp ứng điện áp pha tần số 70Hz 3.4.2.1Nhận xét: Ưu điểm: - Điện áp ngõ chứa thành phần sóng hài bậc cao với tần số bội số tần số xung cưa Do tần số xung cưa cao so với tần số sóng sin chuẩn nên dễ dàng loại bỏ sóng hài bậc cao Nhược điểm: - Các van bán dẫn phải làm việc với tần số đóng ngắt cao nên tổn hao cơng suất đóng cắt lớn, hệ thống điều khiển phức tạp - Vấn đề khó khăn thực điều chế độ rộng xung ba pha mạch tương tự phải có ba sóng sin chủ đạo có biên độ xác lệch pha xác 120o toàn dãi tần số thay đổi 5.2 ĐÁP ỨNG TÍN HIỆU NGÕ RA THEO PHƯƠNG PHÁP SVPWM 5.2.1 Tín hiệu chương trình mơ Simulink 109 Hình 5.11: Tín hiệu điện áp dây tần số 50Hz 110 Hình 5.12: Tín hiệu điện áp dây tần số 50Hz Hình 5.13: Tín hiệu dòng điện tải tần số 50Hz 5.2.2 Tín hiệu thực nghiệm Tín hiệu điện áp dây đo tần số khác nhau: 111 Hình 5.14: Đáp ứng điện áp dây tần số 20Hz Hình 5.15: Đáp ứng điện áp dây tần số 30Hz 112 Hình 5.16: Đáp ứng điện áp dây tần số 40Hz Tín hiệu điện áp pha đo tần số khác nhau: 113 Hình 5.17: Đáp ứng điện áp pha tần số 20Hz 114 Hình 5.18: Đáp ứng điện áp pha tần số 30Hz 3.4.2.2Nhận xét: Ưu điểm: - Việc sử dụng phương pháp SVPWM cho phép tăng điện áp dây thêm 15% so với phương pháp SPWM dải hoạt động tuyến tính – điều dẫn đến dòng định mức nhỏ công suất định mức Dòng điện nhỏ làm cho giá thành nghịch lưu công suất giảm đáng kể đồng thời giảm tổn hao công suất nghịch lưu - Do đầu vào khối tính tồn SVM vector định nghĩa khung tọa độ cố định , điều cho phép điều khiển phát sóng sin pha cần sử dụng đại lượng , giảm đáng kể lượng cơng suất tính tốn u cầu 115 - THD – Tổng độ méo hàm điều hòa điện áp đầu giảm đến mức thấp (các nghiên cứu tài liệu tham khảo cho thấy, đạt 2% tải tuyến tính 3% với tải phi tuyến) - Đáp ứng động học ổn định, hiệu suất nghịch lưu tối ưu loại tải - Điều chế vector không gian cung cấp cho ta hiệu đầu tốt, tối ưu hiệu suất có độ tin cậy cao so với nghịch lưu loại mà thực theo phương pháp điều chế độ rộng xung khác - Với ưu điểm bật khả tận dụng điện áp phía chiều tốt phương pháp khác với việc xử lý dễ dàng vi điều khiển nên phương pháp vector không gian trở nên phổ biến ngày Do tiến vượt bậc công nghệ vi điều khiển, điều khiển số, điều chế vector không gian giúp hồn thiện, đẩy nhanh q trình thực cho người thiết kế, giúp cho chất lượng điện áp đầu tốt Đặc biệt công nghệ bán dẫn ngày đại, cho phép tăng tần số đóng ngắt phương pháp SVM cho chất lượng điện áp đầu gần hoàn hảo Hạn chế thuật tốn: - Vùng có ích mặt phẳng vector thực hình lục giác đều, bị giới hạn đỉnh vector biên chuẩn Nhằm mục đích giảm hài bậc cao, thực tiễn nhiều người ta khơng tận dụng tồn lục giác mà sử dụng vùng bên đường tròn nội tiếp hình lực giác Khi điện áp có modul tối đa là: uref max U dc Lúc hệ số điều biến lớn phương pháp là: U dc m 0.906 2U dc 116 Việc sử dụng đường tròn nội tiếp lục giác làm đường tròn giới hạn điện áp gây lãng phí phần diện tích đường tròn hình lục giác 4.3 So sánh hai phương pháp Sin PWM phương pháp vecter khơng gian - Phương pháp Sine PWM có thuật toán điều khiển đơn giản, dễ thực - Việc điều chỉnh điện áp tần số thông qua điều chỉnh biên độ tần số điện áp điều khiển đưa vào mạch điều chế Vx Tuy nhiên phương pháp có nhiều nhược điểm như: Điện áp common mode (điện áp tâm tải tâm nguồn DC) lớn - nguyên nhân gây hư hỏng động Phương pháp điều chế vector khơng gian có ưu điểm “nhìn” thấy trạng - thái chuyển mạch chọn vector không (redundant) cách phù hợp để giảm tổn hao Tuy nhiên, việc tính tốn phức tạp tốn nhiều thời gian việc tính tốn trở nên khó khăn nguồn chiều sử dụng khác không ổn định Đặc biệt nhiều nghiên cứu, tác giả chứng minh mối quan hệ điều chế sóng mang điều chế vector khơng gian tương đương Vì tùy theo u cầu sử dụng thuật tốn điều chế sóng mang hay điều chế vector khơng gian cho nghiên cứu sau Hướng nghiên cứu tương lai Luận văn hoàn thành khâu điều chế PWM cho nghịch lưu Từ kết đạt mở hướng nghiên cứu triển vọng ứng dụng: - Điều khiển vòng kín động pha xoay chiều - Điều khiển động pha xoay chiều sử dụng biến tần ba bậc ba pha 117 - Xây dựng nghịch lưu cho ứng dụng nối lưới lượng mặt trời với nguồn DC riêng biệt panel lượng mặt trời, lượng gió - Nghiên cứu ứng dụng thiết bị điều hòa lưới điện lọc tích cực, bù cơng suất phản kháng (dstatcom) Facts Đóng góp mặt khoa học luận văn Trên sở giải thuật điều chế sóng mang, luận văn tiến hành nghiên cứu, tổng hợp đưa nhận định đánh giá tối ưu hóa việc giảm tổn hao chuyển mạch, triệt tiêu điện áp common mode, khống chế sai biệt điện áp điều khiển mạch nghịch lưu Đề xuất giải thuật điều chế sóng mang với hàm tối ưu hóa giảm tổn hao chuyển mạch nghịch lưu, đồng thời khống chế sai biệt điện áp điều khiển triệt tiêu điện áp common mode Thiết kế chế tạo mơ hình thực nghiệm ứng dụng cho nghiên cứu nghịch lưu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Truyền Động Điện tác giả Phan Quốc Dũng – Tô Hữu Phúc, 2012 [2] Cơ sở Truyền Động Điện ; Nguyễn Văn Nhờ, 2003 [3] Điều Khiển Tự Động Truyền Động Điện Xoay Chiều Ba Pha tác giả Nguyễn Phùng Quang, nhà xuất giáo dục – 1996 [4] Tính tốn thiết kế thiết bị điện tử công suất tác giả Trần Văn Thịnh, 2005 [5] Giáo trình Điện tử cơng suất; Nguyễn Văn Nhờ, 2003 [6] Nguyễn Phùng Quang (2006), MATLAB & SIMULINK dành cho kỹ sư điề u khiể n tự đô ̣ng, Nhà xuấ t bản KH&KT [7] Power Electronics; Daniel W.Hart; 2011, McGraw-Hill 118 [8] High – Power Converters And AC Drives; John Wiley & Sons; March 2006, Wiley-IEEE Press [10] Development of a motor speed control system Using matlab and simulink, Implemented with a digital signal processor; Andrew Klee B.S University Of Central Florida, 2003 [11] From MATLAB and Simulink to Real-Time with TI DSP's; Jacob Fainquelernt ; August 28, 2011 [12] Space Vector Based Hybrid PWM Techniques For Reduced Current Ripple; IEEE Transactions On Industrial Electronics, , April 2008 [13] Matlab/Simulink Implementation And Analysis Of Three Pulse-WidthModulation (Pwm) Techniques; Phuong Hue Tran; May 2012 [14] D.C Lee, “A Novel Over-modulation Technique for Space Vector PWM inverters,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 13, No 6, pp 1144-1151, Nov 1998 [15] A Savulescu, “The Analysis and The Simulation of The SVM Generator Used for The Control of The Electric Drives with Asynchronous Motors,” International Conference on Electromechanical and Power Systems, pp 47-50, October 4-6, 2007 Trang web: www.ti.com www.mathworks.com 119