Nghiên cứu ứng dụng biến tần đa mức cho hệ truyền động điện công suất lớn

Bài viết này trình bày về bộ nghịch lưu kiểu cầu H nối tầng có 7 mức điện áp, kết hợp với phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor, để áp dụng cho một số cơ cấu truyền động điển hình: tải máy bơm/quạt gió, tải nâng hạ.

TẠP CHÍ KHOA HỌC TẠP VÀCHÍ CƠNG KHOA NGHỆHỌC VÀ CÔNG NGHỆ JOURNAL OF SCIENCETrần ANDDuy TECHNOLOGY Hưng ctv TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG HUNG VUONG UNIVERSITY Tập 15, Số (2019): 18-26 Vol 15, No (2019): 18 - 26 Email: tapchikhoahoc@hvu.edu.vn Website: www.hvu.edu.vn NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CÔNG SUẤT LỚN Trần Duy Hưng­­, 1Phạm Tuấn Hải, 2Mai Văn Chung, 2Trần Trung Dung Trường Cao đẳng Công nghiệp Quốc phòng Trường Đại học Hùng Vương Ngày nhận bài: 24/5/2019; Ngày sửa chữa: 21/6/2019; Ngày duyệt đăng: 28/6/2019 Tóm tắt H ệ truyền động xoay chiều cơng suất lớn sử dụng số ngành công nghiệp Việt Nam, giới như: hệ truyền động quạt hút nhà máy xi măng, hệ truyền động máy bơm công ty cung cấp nước , hệ truyền động thường cấp điện nghịch lưu đa mức, cho phép giảm tổn hao trình chuyển mạch Bài báo trình bày nghịch lưu kiểu cầu H nối tầng có mức điện áp, kết hợp với phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor, để áp dụng cho số cấu truyền động điển hình: tải máy bơm/quạt gió, tải nâng hạ Kết mơ đặc tính hệ truyền động dạng điện áp đặt vào cuộn dây stator động cơ, chứng minh hiệu phương pháp điều khiển đề xuất Từ khóa: Biến tần đa mức, truyền động điện công suất lớn, điều khiển tựa theo từ thông rotor, biến tần cầu H mức Đặt vấn đề Biến tần thường dùng chuyển đổi điện áp, dòng điện tần số thành điện áp, dòng điện với tần số khác Thiết bị sử dụng để điều khiển vận tốc động xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số Đối với động công suất vừa nhỏ thường sử dụng rộng rãi biến tần mức (hay gọi nghịch lưu hai mức), thơng thường, mạch lực nghịch lưu sử dụng sơ đồ mạch cầu H, van sử dụng IGBT Mosfet, kết hợp hệ thống điều khiển PWM để điều khiển, nhiên nghịch lưu mức có nhược điểm tạo điện áp cung cấp dây động với độ dốc (dv/dt) lớn, gây số vấn đề khó khăn, số đóng cắt cao, số lượng van ít, điện áp đầu 18 có độ đập mạch lớn, tồn trạng thái khác zero tổng điện từ pha đến tâm nguồn DC (hiện tượng common-mode voltage) [1] Đặc biệt hệ truyền động điện công suất lớn cỡ MW, loại động ứng dụng rộng rãi máy móc thiết bị cơng nghiệp, ngành khai thác mỏ, giao thông nhiều máy móc thiết bị khác thiết bị nâng, quạt gió, máy nghiền Vì vấn đề khởi động, ổn định tốc độ, đảo chiều quay, thay đổi tốc độ liên tục động đặt phức tạp, nghịch lưu mức không đáp ứng yêu cầu hệ truyền động điện Cùng với tiến khoa học, để giải vấn đề cải thiện chất lượng điện áp, sử dụng nhiều mạch cầu Email: maichunghvu@gmail.com Tập 15, Số (2019): 18 - 26 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ bảng Ký hiệu Ký hiệu Đơn vị u sa ; u s b V isa ;i sb A Ls ; L r H Điện cảm stator, điện cảm rotor Ts ; Tr s Hằng số thời gian stator, rotor σ Ý nghĩa Điện áp stator hệ tọa độ tĩnh (a,β) Dòng điện stator hệ tọa độ tĩnh (a,β) Hệ số từ tản tồn phần ; r rad/s Tốc độ góc cơ, tốc độ góc rotor  sa ;  s b Wb Từ thông rotor p Wb im mL ' ' p J Lsd, Lsq H điện cảm dọc trục, ngang trục stator Acar Biên độ tín hiệu sóng mang f car Tần số sóng mang Aref Biên độ tín hiệu đặt (tín hiệu chuẩn) f ref Tần số tín hiệu đặt Chữ viết tắt NLĐM Nghịch lưu đa mức KĐB-RLS Khơng đồng rotor lồng sóc Từ thơng cực IM Induction motor (động KBĐ-RLS) A Dòng từ hóa FOC Field orient control (điều khiển tựa theo từ thông rotor N.m Mô-men tải SPWM Sine pulse width modulation kg.m2 Số đơi cực Mơ-men qn tính MC-KTĐL Một chiều kích từ độc lập H nối tầng để xây dựng hệ thống, gọi nghịch lưu nguồn áp đa mức, mong muốn tạo điện áp xoay chiều với chất lượng điện áp tốt biên độ lớn Như biết cấu trúc chung nghịch lưu nguồn áp đa mức, có nhiều gồm sáu chuyển mạch thông thường nghịch lưu ba pha (H.2), để tổng hợp điện áp hình sin từ số mức điện áp, từ nguồn áp tụ điện, từ cho phép làm việc với cơng suất định mức lớn cơng suất khóa riêng rẽ Vì nghịch lưu nguồn áp đa mức, có ưu điểm công suất lớn, điện áp đặt lên linh kiện bị giảm xuống nên công suất tổn hao trình đóng ngắt linh kiện giảm theo, thành phần sóng hài bậc cao điện áp giảm Đặc biệt nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng với khả module Vì phạm vi ứng dụng biến tần đa mức phù hợp mức điện áp tăng, phù hợp với truyền động điện xoay chiều với điện áp cao công suất lớn [2],[3],[4],[5],[6] [7] Trong sản xuất công nghiệp động KĐB-RLS ứng dụng rộng rãi, chi phí thấp, nhỏ gọn Động IM điều khiển tựa theo từ thơng rotor, ngun lý tạo cơng cụ cho phép nhìn nhận động KĐB-RLS có chất vật lý (tạo từ thơng mô-men quay) động MC-KTĐL [8], [9] Trong cấu trúc điều khiển FOC (hình 5), khâu điều khiển nghịch lưu nguồn áp khâu trung gian điều khiển dòng stator nghịch lưu, khâu giữ vai trò giao diện thành phần cứng (hardware) mạch nghịch lưu (điện tử công suất lớn) Để phù hợp với nghịch lưu đa mức, khâu điều khiển nghịch lưu nguồn áp gợi ý phương pháp điều chế độ rộng xung PWM, dùng phương pháp dịch pha sóng mang (phase-shifted), dịch mức sóng mang (level-shifted) Hai phương pháp này, chất lượng điện áp phương pháp dịch mức sóng mang tốt nhiều so với phương pháp dịch pha sóng 19 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ mang, thể số phân tích méo dạng sóng hài THD (Hình 1) Ở phương pháp dịch pha sóng mang, tần số đóng cắt van cầu H giống nhau, phương pháp dịch mức sóng mang, tần số đóng cắt van cầu H khác [1] Song nghịch lưu đa mức, dịch pha sóng mang giải pháp phù hợp, tính module hóa phương pháp a phương pháp Hình Biểu đồ phân tích THD so sánh phương pháp dịch pha sóng mang dịch mức sóng mang Trần Duy Hưng ctv Bên cạnh kết nghiên cứu điều khiển nghịch lưu nguồn áp mức, để chứng minh khả ứng dụng biến tần đa mức thực tiễn, báo trình bày kết nghiên cứu hệ truyền động FOC cho động KĐB-RLS công suất lớn, với tải có mơmen tỷ lệ bậc với tốc độ (máy bơm, quạt ) tải có mơmen cản (cầu trục, thang máy, thang ) Đây hướng nghiên cứu điều khiển hệ truyền động không đồng bộ, kết hợp với nghịch lưu nguồn áp đa mức (7 mức), hướng nghiên cứu mới, nhiều nhà khoa học quan tâm, mục đích để tìm cấu trúc điều khiển tối ưu cho động KĐB-RLS Để khai thác tiềm ứng dụng biến tần đa mức hệ truyền động không đồng cơng suất lớn, báo tập trung phân tích, đánh giá kết đáp ứng hệ truyền động, dòng điện ba pha chế độ vận hành, qua mơ Matlab - Simulink Hình Cấu trúc nghịch lưu nguồn áp mức pha nối tầng cầu H 20 Tập 15, Số (2019): 18 - 26 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ Cấu trúc điều khiển 2.1 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp mức Nghịch lưu nguồn áp mức pha (Hình 2) thực ghép nối sơ đồ pha Đầu biến đổi điện áp lệch pha 120o, dạng điện áp nghịch lưu mức pha nối tầng cầu H (Hình 3) u A = 3E sin(t ) u B = 3E sin(t - 2p / 3) 2.1 uC = 3E sin(t + 2p / 3) Hình Dạng điện áp nghịch lưu áp cấp pha nối tầng cầu H Để tạo điện áp mức, phải có phối hợp đóng cắt van cầu H pha Ở sơ đồ cầu thời điểm có van dẫn, van lại khóa Việc điều khiển tạo điện áp pha dùng sóng hình sin điều khiển lệch 120° pha Khi S11 , S21 , S12 , S22 , S13 , S23 dẫn, thì: U h1 = U h = U h = E Nên U AN = U h1 + U h + U h3 = 3E Tương tự S31 , S41 , S32 , S42 , S33 , S43 dẫn, U AN = -3E Từ cấu trúc nghịch lưu (Hình 2) mơ (Hình 3), có nhận xét sau: • Điện áp tải cần sử dụng cao, điện áp nghịch lưu cầu lại nhỏ, điều hạn chế việc van phải chịu điện áp cao, đáp ứng nhu cầu tải • Điện áp nghịch lưu có dạng bậc thang nhiều cấp, gần sóng sin nghịch lưu • Tần số đóng cắt nhỏ, thơng thường 1kHz • Dòng điện có méo dạng thấp, ưu điểm lớn sơ đồ • Phải sử dụng số lượng lớn nguồn DC độc lập • Số lượng van đóng cắt cho hệ thống nhiều, việc điều khiển van đóng cắt phức tạp, hệ thống linh kiện phụ trợ tăng cao tăng số mức Với cấu trúc nối tầng cầu H pha mức cần sử dụng 36 van đóng cắt 2.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM dịch pha sóng mang Theo phương pháp này, để tạo điện áp có N mức cần (N-1)/2 cầu H Tất cầu H pha tuân theo sóng sin chuẩn Số sóng mang số cầu H, gồm M sóng Các sóng mang có có tần số biên độ đỉnh Tuy nhiên có dịch pha sóng liền kề góc: 21 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ Trần Duy Hưng ctv jcr = 360° / ( N -1) KTĐL, phép chuyển đổi tọa độ, tìm hai giá trị dòng điện điều khiển từ thông mômen Tọa độ dq tọa độ quay, mơ hình trạng thái động IM xuất thành phần tương tác phi tuyến Nhưng hai đại lượng usd; usq đại lượng chiều, có chứa ωs Mơ hình trạng thái động IM (4.1) [5] [6]: (2.2) Hệ số điều chế tần số mf hệ số điều chế biên độ ma mf = Aref f car ; ma = f ref Acar (2.3) Phạm vi báo nghịch lưu pha, điện áp pha có mức, số cầu H pha 3, cần sử dụng tín hiệu cưa lệch 60o sơ đồ cầu H pha (Hình 4)  disd  1−σ  1−σ ' − = + Ψ rd  isd + ωs isq +  dt T T σ σ σ Tr  s r    1−σ u sd + ωΨ 'rq +  σ σ Ls   di  1−σ  1−σ  sq = ωΨ 'rd −ωs isq −  +  isq −  dt σ  σ Ts σ Tr   1−σ '  u sq + Ψ rq +  σ Tr σ Ls  ' '  d Ψ rd '  dt = T isd − T Ψ rd + (ωs − ω ) Ψ rq r r   d Ψ 'rq 1 isq + (ωs − ω ) Ψ 'rd − Ψ 'rq  = Tr Tr  dt -1 Sóng mang cho cầu H1 60o -1 Sóng mang cho cầu H2 60o -1 Sóng mang cho cầu H3 Hình Điều chế sóng mang theo phương pháp dịch pha sóng mang 3 L2m ' mM = − z p (Ψ rf x ir f ) = zp Ψ rd isq 2 Lr 2.3 Cấu trúc điều khiển FOC cho động KĐB-RLS tọa độ dq Ψ 'rd =Ψ rd / L m ; Ψ 'rq =Ψ rq / L m ; ωs − ω = ωr Phương pháp điều khiển FOC, cho phép điều khiển động IM giống động MC- Nghịch lưu đa mức R isd * rd'* (-)  R ω* isq* (-) usd usα dq usa αβ usb usβ αβ usq 36 xung abc Sin PWM usc ϑs udc ϑs '   rd MHTT isd − jϑs isq e isα isβ isu isv isw 3~ IM  Đo tốc độ quay  IE Hình Cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor cho động KĐB-RLS với nghịch lưu đa mức 22 (2.4) (2.5) (2.6) Tập 15, Số (2019): 18 - 26 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ 2.4 Thiết kế điều khiển dòng điện stator Bộ điều khiển tốc độ: Gồm điều khiển PI độc lập, điều khiển thành phần dòng chiều isd isq kết hợp với mạch tính điện áp (MTu), có nhiệm vụ tính thành phần điện áp usd usq từ đại lượng đầu PI Khi tính, RI sử dụng đại lượng biến thiên chậm từ thông rotor ψrd tốc độ quay Do hai thành phần dòng có tác động lẫn phụ thuộc vào ωs, phải tiến hành khử tương tác Bộ điều khiển dòng điện stator thiết kế Hình Bộ điều khiển từ thông _ isd isq* _ ωs Kpψ = 14,5; Tiψ = 0,4117 Kết mô bảng Bảng thông số mô Thông số động Ký hiệu Giá trị Pnom MW Tốc độ định mức nnom 3000 vg/ph Dòng điện định mức Inom 165 ARMS Mơmen định mức Mdm 6.10-3 Nm Điện áp chiều UDC 4000 V Số đôi cực zp Lσ s Điện trở rotor Rr 0,5116 Ω Điện trở stator Rs 0,6 Ω Lσ s Điện cảm rotor Lr 0,0104 H Điện cảm stator Ls 0,0216 H Hỗ cảm Lm 0,24 H Hệ số công suất cosφ 0,9 σ 0,07 Hằng số thời gian Tr/Ts (s) 0,4117/0,0247 Mơ-men qn tính J 0,01gm2 Risd Risq usd _ usq isq Ψ 'rd Kpω = 14; Tiω = 0,3 Công suất định mức RI isd* L2m Lr Hình Cấu trúc điều khiển dòng điện stator Thơng số điều khiển dòng PI tính tốn lựa chọn sau: Kpi = 30; Ti = 0,0247 Bên cạnh điều khiển dòng điện đảm bảo nhanh, xác khơng tương tác, điều khiển dòng stator khâu qn tính bậc Do việc thiết kế điều khiển tốc độ từ thông thực đơn giản, báo đưa thiết kế điều khiển PI, tính tốn lựa chọn sau: Hệ số từ tản toàn phần 3.1 Tải nâng hạ M c = M dm = const Bộ điều khiển triệt dòng điện hoạt động tốt, triệt tiêu sai lệch tĩnh Dòng từ hóa isd cố định, dòng tạo momen isq có thay đổi dao động điểm đảo chiều quay (Hình Hình 8) Hình Đáp ứng dòng điện i*sd isd 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ Trần Duy Hưng ctv Hình Đáp ứng dòng điện i*sq isq Tốc độ bám theo giá trị đặt, sai lệch tĩnh bị triệt tiêu, điều khiển thực yêu cầu đảo chiều Do có mômen tải nên ban đầu động bị kéo ngược lại so với giá trị mong muốn (Hình 9, Hình10) Hình 12 Đáp ứng điện áp Usa Dòng điện khởi động khoảng cho phép động Dòng điện có dạng hình sin (Hình 13) Hình Đáp ứng tốc độ đặt thực w* w Hình 13 Đáp ứng dòng điện ia,b 3.2 Tải quạt gió Hình 10 Đáp ứng mơmen động KĐB-RLS Bộ nghịch lưu đa mức tạo điện áp mong muốn Tại thời điểm đảo chiều điện áp pha có biến động (Hình 11), pha a (Hình 12) Với hệ thống tải quạt gió ta nhận thấy điều khiển tốc độ từ thông cho đầu bám với giá trị đặt, sai lệch tĩnh bị triệt tiêu (Hình 14, Hình 15) Hình 14 Đáp ứng tốc độ đặt thực w* w Hình 11 Đáp ứng điện áp Ua,b,c 24 Hình 15 Đáp ứng từ thơng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ Điện áp pha nghịch lưu giống mong muốn (Hình 16) Tập 15, Số (2019): 18 - 26 kết hợp với nghịch lưu nguồn áp đa mức Để hồn thiện mảng tìm cấu trúc tối ưu điều khiển động IM Ngoài ra, kết nghiên cứu báo tài liệu tốt, cung cấp phương pháp luận tốt giúp cho kỹ sư vận hành hệ thống biến tần đa mức thương mại khai thác hiệu thiết bị Hình 16 Điện áp pha a Tài liệu tham khảo Dòng điện có dạng hình sin giá trị gần [1] Trần Trọng Minh (2007), Giáo trình Điện tử cơng suất, Nhà xuất Giáo dục với tính tốn (Hình 17) [2] Nguyễn Phùng Quang (2015), Điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội [3] Bin Wu (2006) “High-Power Converters and AC Drives”, Wiley-IEEE Press , Chapter7 Hình 17 Đáp ứng dòng điện pha a [4] Bose, B.K (2011), Control and Estimation Techniques of High Power Variable Speed AC Drives, IEEE Power Electronics Society Newsletter, Fourth Quarter 2011, pp 31-38 Kết luận [5] Leonhard W (1996) Control of Electrical Drives, 2nd edition, Springer Kết nghiên cứu thiết kế, điều khiển nghịch lưu nguồn áp mức ứng dụng cho truyền động KĐB công suất lớn, theo nguyên lý tựa theo từ thông rotor, mang lại kết khả quan Đó điều khiển dòng đảm bảo điều kiện nhanh, xác khơng tương tác, hệ thống truyền động FOC ứng dụng cho tải nâng hạ, quạt gió có đáp ứng truyền động tốt, với yêu cầu công nghệ Bên cạnh chất lượng đầu nghịch lưu mức có chất lượng tốt: điện áp có dạng bậc (7 bậc) để giảm điện áp rơi van bán dẫn, tần số chuyển mạch thấp, nên tổn thất hệ thống nhỏ Đây gợi mở hướng nghiên cứu cho hệ truyền động KĐB, điều khiển dòng [6] Nikolaus P Schibli, Tung Nguyen, and Alfred C Rufer, A Three-Phase Multilevel Converter for [7] High-Power Induction Motors, IEEE transaction on power electronic, vol 13 no.5, September [8] Quang NP, Dittrich JA (2015) Vector control of three-phase AC machines – System development in the practice 2nd edition, Springer-Verleg Berlin Heidelberg [9] Teresa Otowska-Kowalska, Frede Blaabjerg, Jose Rodriguez Edition (2014), Advanced and Intelligent control in power electronics and drives, Springer [10] Rodriguez, J., Bernet, S., Wu, B., Pontt, J., and Kouro, S (2007) Multilevel voltage-source converter topologies for industrial mediumvoltage drives IEEE Trans Ind Electron, vol 54, no 6, pp 2930-2945, Dec, 2007 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Trần Duy Hưng ctv RESEARCH THE APPLICATION OF MULTI LEVEL INVERTERS FOR HIGH POWER ELECTRICAL DRIVE SYSTEMS Tran Duy Hung, 1Pham Tuan Hai, 2Mai Van Chung, 2Tran Trung Dung Military industrial College Hung Vuong University Summary H igh power electrical drive systems are used widely in Vietnam and worldwide industrial applications such as: induced draft fan in cement industry, water pumping systems , the drives are powered by multi level inverters which allow low switching losses The paper presents FOC control of an induction motor fed from a 7-level H-bridge inverters applied in pumping/fan and hoisting systems Simulation results on the drive characteristics and stator voltage wave form show the effectiveness of the proposed control structure.  Keywords: Multi level inverter, high power electrical drive, FOC, 7-level H- bridge inverters 26 ... dịch mức sóng mang Trần Duy Hưng ctv Bên cạnh kết nghiên cứu điều khiển nghịch lưu nguồn áp mức, để chứng minh khả ứng dụng biến tần đa mức thực tiễn, báo trình bày kết nghiên cứu hệ truyền động. .. nguồn áp đa mức (7 mức) , hướng nghiên cứu mới, nhiều nhà khoa học quan tâm, mục đích để tìm cấu trúc điều khiển tối ưu cho động KĐB-RLS Để khai thác tiềm ứng dụng biến tần đa mức hệ truyền động không... hợp điện áp hình sin từ số mức điện áp, từ nguồn áp tụ điện, từ cho phép làm việc với công suất định mức lớn cơng suất khóa riêng rẽ Vì nghịch lưu nguồn áp đa mức, có ưu điểm cơng suất lớn, điện