Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp foc bằng bộ biến tầng đa bậc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM HỮU CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƯƠNG PHÁP FOC BẰNG BỘ BIẾN TẦN ĐA BẬC Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2011 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS LÊ MINH PHƯƠNG Ký tên: Cán chấm nhận xét 1: Ký tên: Cán chấm nhận xét 2: Ký tên: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ngày ……… tháng … năm 2011 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM HỮU CHƯƠNG MSHV: 01808296 Ngày, tháng, năm sinh: 23/9/1980 Nơi sinh: Hải Dương Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng Nhà máy điện Mã số: I - TÊN ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƯƠNG PHÁP FOC BẰNG BỘ BIẾN TẦN ĐA BẬC NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Nghiên cứu phương pháp điều khiển động không đồng ba pha - Nghiên cứu phương pháp điều chế cho nghịch lưu bậc, phương pháp FOC điều khiển động không đồng - Xây dựng mô hình viết chương trình mơ phần mềm Matlab II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04 /07 /2011 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 16/12/2011 IV HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS LÊ MINH PHƯƠNG TP.HCM, ngày ……… tháng …… năm 2011 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA LỜI CẢM ƠN Tơi xin kính gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS TS Lê Minh Phương Thầy dành nhiều thời gian quý báu trực tiếp hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cho lời khun bổ ích, giúp tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Trường Đại học Bách Khoa, người truyền đạt kiến thức, định hướng nghiên cứu suốt q trình học tập trường Tơi nhận giúp đỡ bạn khóa, lớp Các bạn đóng góp cho tơi ý kiến tài liệu giá trị Xin gởi đến bạn lời cảm ơn chân thành Cuối cùng, tơi xin kính gởi đến cha, mẹ, vợ người thân gia đình lịng biết ơn chân thành, sâu sắc động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập nghiên cứu TP.HCM, ngày 12 tháng 12 năm 2011 Phạm Hữu Chương TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung phạm vi nghiên cứu luận văn - Xây dựng hệ truyền động điều khiển ĐCKĐB pha Phương pháp FOC kết với Bộ biến tần bậc (dùng Phương pháp điều chế Vector không gian cho cho nghịch lưu áp đa bậc dạng NPC) - Nghiên cứu, xây dựng giải thuật điều chế vector không gian cho nghịch lưu áp bảy bậc dạng NPC - Nghiên cứu phương pháp điều khiển động không đồng bộ, chủ yếu tập trung vào phương pháp FOC Chương 1: Mở đầu Giới thiệu phát triển phương pháp điều khiển động cơ, đồng thời nêu lên vấn đề nghiên cứu luận văn Chương 2: Động không đồng ba pha phương pháp điều khiển Khảo sát sở thành lập mơ hình tốn học cho động không đồng ba pha, mối quan hệ đại lượng động như: điện áp, dịng điện, từ thơng, moment, tốc độ…, sở vận dụng vào việc điều khiển động Giới thiệu phương pháp điều khiển ĐCKĐB: khái niệm, phân loại, phương pháp điều khiển, mô hình điều khiển nêu lên ưu điểm nhược điểm phương pháp điều khiển: Điều khiển V/F; Điều khiển định hướng từ thông (FOC) Điều khiển trực tiếp moment (DTC_Direct Torque Control) Chương 3: Bộ biến tần; Bộ nghịch lưu áp đa bậc kỹ thuật điều chế - Giới thiệu cấu trúc, phân loại biến tần - Giới thiệu cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc; phương pháp điều chế đồng thời trình bày Phương pháp điều chế vector khơng gian cho nghịch lưu hai bậc Chương 4: Mô nghịch lưu áp bậc NPC theo phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) Giới thiệu cấu trúc, giản đồ vector; giải thuật lập trình nghịch lưu áp bậc NPC theo phương pháp điều chế vector không gian mô phần mềm Matlab Chương 5: Mô hệ truyền động nghịch lưu áp đa bậc động không đồng theo Phương pháp FOC Giới thiệu trình xây dựng cấu trúc hệ điều khiển theo Phương pháp FOC sau mơ phần mềm Matlab MỤC LỤC Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ Lời cảm ơn Tóm tắt luận văn thạc sĩ Mục lục Các ký hiệu sử dụng luận văn Chương 1: Mở đầu Chương 2: Động không đồng ba pha phương pháp điều khiển 2.1 Tổng quan động không đồng ba pha Mơ hình tốn động không đồng ba pha a Mơ hình tốn hệ tọa độ α-β b Mơ hình tốn hệ tọa độ d-q 2.3 Các phương pháp điều khiển ĐCKĐB 2.3.1 Tổng quát 10 2.3.2 Phương pháp điều khiển V/F 12 2.3.3 Phương pháp DTC 15 2.3.4 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông (FOC) 20 2.3.4.1 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông roto trực tiếpDRFOC 24 2.3.4.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông roto gián tiếpIRFOC 27 Chương 3: Bộ biến tần, nghịch lưu áp đa bậc kỹ thuật điều chế 3.1 Bộ biến tần 3.1.1 Bộ biến tần trực tiếp 30 3.1.2 Bộ biến tần gián tiếp 30 3.1.3 Cấu trúc biến tần 32 3.2 Bộ nghịch lưu áp đa bậc 3.2.1 Cấu trúc dạng diode kẹp (NPC) 34 3.2.2 Cấu trúc dạng cascade (Cascade Inverter) 35 3.2.3 Cấu trúc dùng tụ thay đổi 36 3.3 Các phương pháp điều chế nghịch lưu áp đa bậc 3.3.1 Phương pháp điều rộng xung Sin (SINPWM) 37 3.3.2 Phương pháp điều chế Vector không gian (SVPWM) 3.3.2.1 Khái niệm 42 3.3.2.2 PP điều chế vector không gian cho nghịch lưu hai bậc 44 Chương 4: Mô nghịch lưu áp đa bậc NPC theo phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) 4.1 Nghịch lưu áp bậc dạng NPC 52 4.2 Giải thuật lập trình 59 4.2.1 Xác định sector 59 4.2.2 Xác định Region 59 4.2.3 Xác định Thời gian đóng ngắt cho Region 60 4.2.4 Trạng thái đóng ngắt Sector 63 4.3 Sơ đồ mô Matlap 68 4.3.1 Kết mô tần số 25 Hz, với m = 0.5 72 4.3.2 Kết mô tần số 50Hz, với m = 0.5 73 4.3.3 Kết mô tần số 50Hz, với m = 75 Chương 5: Mơ hình mơ hệ truyền động nghịch lưu áp đa bậc động không đồng theo phương pháp định hướng từ thông (FOC) 5.1 Khái quát 77 5.2 Sơ đồ lập trình: 81 5.3 Kết mô 84 5.3.1 Mô với trạng thái động không tải, tốc độ không đổi 85 5.3.2 Mô với trạng thái động quay thuận đổi chiều thời điểm 1,2s 86 5.3.3 Mô với trạng thái động quay thuận, đóng tải thời điểm 1s, tăng gấp đôi tải thời điểm 1,2s 87 5.3.4 Mô với trạng thái động quay thuận, đóng tải thời điểm 0.6s, cắt tải thời điểm 1,2s 88 5.3.5 Mô với trạng thái tốc độ động thay đổi, tải không đổi 89 5.3.6 Mô với trạng thái động quay ngược, tải không đổi 90 5.3.7 Mô với trạng thái động quay ngược, tải thay đổi 91 Chương 6: Kết luận hướng phát triển đề tài 93 CÁC KÝ HIỆU Một số quy ước cho ký hiệu đại lượng thông số động sau: - Trục chuẩn quy ước trục cuộn dây pha A - Ký hiệu mũi tên vector chiều - Ý nghĩa vị trí ký hiệu đại lượng sau: Chỉ số nhỏ góc phải trên: s đại lượng quan sát hệ quy chiếu stator ( hệ tọa độ αβ ) f đại lượng quan sát hệ quy chiếu từ thông rotor ( hệ tọa độ dq ) r đại lượng quan sát hệ tọa độ rotor với trục thực trục rotor Chỉ số nhỏ góc phải dưới: Chữ đầu tiên: s đại lượng mạch stator r đại lượng mạch rotor Chữ thứ 2: d,q phần tử thuộc hệ tọa độ dq α,β phần tử thuộc hệ tọa độ αβ a,b,c đại lượng pha - Các đại lượng động KĐB Pha U điện áp (V) I dòng điện (A) Ψ từ thông (Wb) Te mômen điện từ (N.m) TL mômen tải (momen cản - torque) (Nm) n tốc độ động n1 tốc độ đồng n2 tốc độ trượt ω tốc độ góc rotor so với stator (rad/s) ωa tốc độ góc hệ toạ độ (rad/s) ωs tốc độ góc từ thông stator so với stator (ωs = ω + ωsl)(rad/s) ωr tốc độ góc từ thơng rotor so với stator (ωr ≈ ωs) (rad/s) ωsl tốc độ góc từ thông rotor so với rotor (tốc độ trượt) (rad/s) θ góc trục rotor (cuộn dây pha A) hệ toạ độ αβ (rad) θ’ góc trục d (hệ toạ độ quay bất kỳ) hệ toạ độ αβ (rad) θs góc từ thơng stator hệ toạ độ αβ (rad) θr góc từ thơng rotor hệ toạ độ θsr góc từ thơng stator so với từ thông rotor hệ tọa độ αβ - Các thông số ĐCKĐB ba pha: Rs điện trở cuộn dây pha stator (Ω) Rr điện trở rotor qui đổi stator (Ω) Lm hỗ cảm stator rotor (H) Lσs điện kháng tản cuộn dây stator (H) Lσr điện kháng tản cuộn dây rotor qui đổi stator (H) p số đơi cực động J mơmen qn tính (Kg.m2) - Các thông số định nghĩa thêm: Ls = Lm + Lσs điện cảm stator Lr = Lm + Lσr điện cảm rotor Ts = Ls Rs số thời gian stator Tr = Lr Rr số thời gian rotor σ =1− - L2m LsL r hệ số từ tản tổng Các đại lượng viết chữ thường, chữ hoa: Chữ thường: Đại lượng tức thời, biến thin theo thời gian, đại lượng thành phần vector Chữ hoa: Đại lượng vector, module vector, độ lớn ... TÀI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƯƠNG PHÁP FOC BẰNG BỘ BIẾN TẦN ĐA BẬC NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Nghiên cứu phương pháp điều khiển động không đồng ba pha - Nghiên cứu phương pháp điều. .. điều khiển động cơ: phương pháp điều khiển vô hướng phương pháp điều khiển vector Phương pháp điều khiển vô hướng sử dụng phương trình đơn giản hóa từ mơ hình vector khơng gian tổng quát Phương pháp. .. cơng ty sản xuất Có nhiều phương pháp điều khiển động phương pháp tiên tiến áp dụng nhiều Phương pháp điều khiển định hướng từ thông (Phương pháp Field Oriented Control - FOC) hệ thống điều khiển