Điều khiển tốc độ động cơ biến tần đa bậc NPC bằng phương pháp DTC

Bài báo này 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 cơ cấp nguồn bởi bộ nghịch lưu áp ba bậc NPC. Mô hình toán học của CPWM - DTC được xây dựng dựa trên lý thuyết về mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ trục tọa độ cố định gắn với stator. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang với hàm offset trung bình được ứng dụng vào bộ nghịch lưu áp đa bậc NPC.

Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Kỹ thuật – Công nghệ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BIẾN TẦN ĐA BẬC NPC BẰNG PHƯƠNG PHÁP DTC Vũ Thế Đảng* Nguyễn Thị Hiền** TĨM TẮT 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 tốn học CPWM – DTC xây dựng dựa lý thuyết mơ hình động không 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 Từ khóa: Điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM), điều khiển momen trực tiếp (DTC), cặp diode kẹp (NPC), độ méo hài toàn phần (THD) CONTROL NPC INVERTER AND MULTI-LEVEL ENGINE SPEED BY DTC ABSTRACT 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 Keywords: Carier base Pules Width Modulation (CPWM), Direct Torque Control (DTC), Neutral Point Clamped (NPC), Total Harmonic Distortion (THD) 1.Giới thiệu 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 ThS GV Trường ĐH Kinh tế Kỹ thuật Bình Dương ThS GV Trường cao đẳng nghề Công nghệ Nông Lâm Nam Bộ * ** 50 Điều kiển tốc độ biến tần có bậc cao ngày sử dụng nhiều Việc cấp nguồn cho động không đồng dùng biến tần đa bậc cho hiệu cao việc thực điều khiển công tác bán dẫn thực dễ dàng dùng phương pháp CPWM Bài báo trình bày phương pháp CPWM – DTC với kỹ thuật CPWM sử dụng hàm offset trung bình, biến tần ba bậc NPC Từ khảo sát thêm biến tần bậc, bậc sử dụng hàm offset lớn nhỏ để giảm cơng suất tổn hao q trình làm việc Nội dung 2.1 Cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc NPC Bộ nghịch lưu áp pha bậc NPC gồm có: x = 12 cặp IGBT, x = cặp Diode, tụ điện DC Các cặp IGBT pha đóng ngắt theo qui tắt kích đối nghịch (Hình 1) 2.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung sóng mang (carier base PWM) Phương pháp thực cộng thêm vào tín hiệu điều chế tín hiệu Voffset, Voffset gọi điện áp common mode có giá trị lớn (Vomax), nhỏ (Vomin) hay trung bình (Vomid) Với Vomin = - Min (Vta, Vtb, Vta) (1) Vomax = Vd – Max (Vta, Vtb, Vta) (2) (3) Vo + Vo max Vomid = Vdkj = V jo Vd n −1 (5) Trong j = a, b, c; n số bậc biến tần Vd điện áp chiều cấp cho nghịch lưu Như để tạo tín hiệu điều khiển công tác bán dẫn cho pha, dùng sóng mang cần (n-1) sóng điều khiển Hình Bộ nghịch lưu áp NPC bậc nhánh 2.3 Giải thuật dùng sóng mang (3-1) sóng điều khiển cho pha Sóng mang dùng chung cho pha có biên độ [0 1], sóng điều khiển pha có biên độ lớn 1, nhỏ hay nằm Từ sóng điều khiển ta tạo hai sóng khác ví dụ cho pha a va1, va0 với điều kiện sau = 1neuva > va1 =  va neuva < va = va − 1neuva > Trong Vta, Vta, Vtc điện áp tải pha a, b, c Khi điện áp trung bình pha tải tính công thức (4) Vao = Vta + Voffset Vbo = Vtb + Voffset (4) Vco = Vtc + Voffset Điện áp điều khiển tính cơng thức (5) (6) (7) Sau thực so sánh hai sóng với sóng mang để tín hiệu đóng ngắt công tác bán dẫn (lưu ý công tác kích dẫn đối nghịch (Sa11 + Sa12 = 1)) 2.4 Sơ đồ khối hệ điều khiển tốc độ động KĐB dùng CPWM – DTC Sơ đồ hệ điều khiển tốc độ động KĐB hình Trong sơ đồ này, DTC & 51 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Khối ước lượng từ thơng (hình 5) xây dựng dựa cơng thức tốn học (11), (12), (13), (14), (15), (16) Hai PI thực dựa vào cơng thức (9), (10) controller đóng vai trò quan trọng, khối có cấu trúc hình u sq = K p ∆T e + K i ∫ ∆Tedt (9) * u sd = K p ∆ϕ s + K i ∫ ∆ϕ s dt * Hình Sơ đồ khối hệ điều khiển tốc độ động KĐB dùng pp CPWM - DTC 2.5 Phương pháp DTC Sơ đồ khối khối DTC & controller hình 3, sơ đồ mơ khối matlab/ simulink hình (11) ϕ sd = ∫ (Vsd − Rs i sd )dt (12) ϕ sq = ∫ (Vsq − Rs i sq )dt (13) Teta = tg (14) −1 ϕ sq ϕ sd (15) P(ϕ sd i sq − ϕ sq i sd ) (16) P số cặp cực từ Các điện áp dòng điện tải chuyển trục tọa độ theo biểu thức chuyển đổi Clarke (17), (18)    cos θ − sin θ v a    v  = cos(θ − 2π ) − sin(θ − 2π )  v d     b  3  v q  vc    2π 2π cos(θ + )− sin(θ + ) 3   Trong khối speed controller (hình 4) có nhiệm vụ hiệu chỉnh giá trị momen đặt Te* từ thông đặt Flux* dựa vào sai lệch tốc độ đặt tốc độ thực động công thức (8) = K p e(t ) + K i ∫ e(t )dt ϕ s = ϕ sd2 + ϕ sq2 Hình Khối DTC & controller * (10) ϕ s = ϕ sd + jϕ sq Te = Te (8) (17) (18) 1 Vsd = (2.Va + Vb + Vc ) Vsq = (Vb − Vc ) 3 , Flux* = < tốc độ rotor < tốc độ định mức Hình Khối ước lượng từ thơng momen Matlab/ simulink Hình Khối speed controller matlab 52 Điều kiển tốc độ - Bộ điều khiển tốc độ động (speed controller) - Kp = 30, Ki = 200 - Phạm vi momen ngõ [-1200, 1200] - Thông số nghịch lưu áp: - Điện áp DC cấp 480V - Tần số chuyển mạch 5kHz - Hệ số điều chế 0,5 Sơ đồ mơ matlab hình Hình Sơ đồ mô khối DTC & controller Matlab/ simulink Kết mô Thực mô hệ thống điều khiển tốc độ động KĐB ba pha dùng phương pháp DTC cấp nguồn nghịch lưu áp bậc NPC Các tham số ngõ vào: 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 Tham số động không đồng pha: Công suất định mức: 149200VA = 149,2 KVA Điện áp dây – dây: 380Vrms Tần số điện áp: 50Hz Tốc độ định mức: 1500 rpm Điện trở stator: Rs = 0,01485 ohm Độ tự cảm cuộn stator: Ls = 0,3027 mH Điện trở rotor: Rr = 0,01485 ohm Độ tự cảm cuộn dây rotor: Lr = 0,3027 mH Độ hỗ cảm: Lm = 10,46 mH Số cặp cực: P = Momen tải: T = 149,2 * 9550 / 1500 = 950 N.m Thông số khối DTC: Tính từ thơng định mức: 0.8wb - Bộ điều khiển momen có Kp = 1,5; Ki = 100 - Bộ điều khiển từ thơng có: Kp = 250; Ki = 4000 Hình Sơ đồ mơ hệ truyền động động không đồng matlab Thực điều chế độ rộng xung sóng mang Trường hợp tốc độ đặt thay đổi đột ngột, có thực hạn chế dòng khởi động ta nhận dòng điện stator hình So với trường hợp hình dòng điện khởi động lớn nhiều Trong trường hợp khơng khống chế dòng điện khởi động dòng stator thời điểm có tải tăng cao (>900V) (hình 10) Tốc độ thực roto thay đổi theo tốc độ đặt đáp ứng momen tương ứng hai trường hợp (*) (**) hình 11, 12, 13, 14 Hình Dòng điện stator, tốc độ đặt thay đổi đột ngột, có hạn chế dòng khởi động (*) 53 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Hình Dòng điện stator, tốc độ đặt thay đổi từ từ, có hạn chế dòng khởi động (**) Hình 12 Tốc độ rotor ứng với trường hợp (**) Hình 10 Dòng điện stator, tốc độ đặt thay đổi từ từ khơng khống chế dòng khởi động Hình 13 Đáp ứng momen ứng với TH (*) Hình 11 Tốc độ rotor ứng với trường hợp (TH) (*) Hình 14 Đáp ứng momen ứng với TH (**) Kết so sánh phương pháp DTC cổ điển CPWM – DTC bảng Bảng 1: Bảng so sánh dòng điện khởi động tổng độ méo hài dòng điện Tốc độ lên 500 500 xuống Dòng điện khởi động (A) CPWM – DTC DTC cổ điển 150 900 300 250 Tổng độ méo hài dòng điện CPWM - DTC DTC cổ điển 55,06 154,7 35,98 101,5 Bảng 2: Bảng so sánh độ gợn từ thông stator độ gợn momen Độ gợn từ thông stator (50Hz) Độ gợn momen (50Hz) Tốc độ CPWM – DTC DTC cổ điển CPWM - DTC DTC cổ điển lên 500 0,0002823 0.00918 14,05 11,37 500 xuống 0.0002945 0.0007291 34,86 20,41 54 Điều kiển tốc độ Kết luận Bài báo trình bày kết mơ mơ hình hệ điều khiển tốc độ động KĐB dùng phương pháp CPWM - DTC Kết cho thấy với phương pháp CPWM – DTC cho độ gợn dòng điện stator nhỏ, độ gợn đáp ứng từ thông stator nhỏ so với phương pháp DTC cổ điển đồng thời khắc phục trường hợp dòng điện khởi động tăng cao tránh hư hỏng linh kiện bán dẫn Tuy nhiên, độ gợn momen lớn so với DTC cổ điển TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ehsan Hassankhan, and Davood A Khaburi, DTC-SVM Scheme for Induction Motors Fed with a Three-level Inverter, World Academy of Science, Engineering and Technology 44 2008 [2] Journal of electrical engineering, Direct Torque control of induction motor with fuzzy minimization torque ripple, Vol 56, No 7-8, 2005, 183–188 [3] Kyo-Beum Lee, Student Member, IEEE, Joong-Ho Song, Member, IEEE, Ick Choy, and Ji-Yoon Yoo, Member, IEEE, Improvement of Low-Speed Operation Performance of DTC for Three-Level Inverter-Fed Induction Motors, IEEE Transactions on power electronics Vol 48, No 5, October 2001 [4] 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 Inverter With Low Switching Frequency, IEEE Transactions on power electronics Vol 17, No 2, March 2002 [5] M Lakshmi Swarupa, G Tulasi Ram Das and P.V Raj Gopal Simulation and Analysis of SVPWM Based 2-Level and 3-Level Inverters for Direct Torque of Induction Motor, International Journal of Electronic Engineering Research ISSN 0975 - 6450 Volume Number (2009) pp 169–184 2004 [6] J C Trounce, S D Round, R M Duke, Comparison by simulation of three-level induction motor torque control schemes for electric vehicle applications,University of Canterbury New Zealand [7] J C Trounce, S D Round, R M Duke, Evaluation of Direct torque control using space vector modulation for electric vehicle applications, University of Canterbury New Zealand 55 .. .Điều kiển tốc độ biến tần có bậc cao ngày sử dụng nhiều Việc cấp nguồn cho động không đồng dùng biến tần đa bậc cho hiệu cao việc thực điều khiển công tác bán dẫn thực dễ dàng dùng phương pháp. .. bán dẫn (lưu ý cơng tác kích dẫn đối nghịch (Sa11 + Sa12 = 1)) 2.4 Sơ đồ khối hệ điều khiển tốc độ động KĐB dùng CPWM – DTC Sơ đồ hệ điều khiển tốc độ động KĐB hình Trong sơ đồ này, DTC & 51 Tạp... điều khiển tốc độ động KĐB dùng phương pháp CPWM - DTC Kết cho thấy với phương pháp CPWM – DTC cho độ gợn dòng điện stator nhỏ, độ gợn đáp ứng từ thông stator nhỏ so với phương pháp DTC cổ điển