Xây dựng phương pháp điều khiển FOC-IM cấp nguồn bởi nghịch lưu đa mức cầu h nối tầng điều chế vector không gian với số mức mong muốn

Bài báo này sẽ đề xuất phương pháp khái quát hóa hệ truyền động FOC - IM bằng cách khái quát hóa phương pháp điều chế vector không gian của nghịch lưu đa mức. Từ đó, hệ truyền động FOC - IM có thể áp dụng cho công suất mong muốn (số mức mong muốn). Các kết quả mô phỏng trên Matlab - Simulink của phương pháp đã đề xuất với tải máy bơm, quạt gió đã chứng minh hiệu quả phương pháp điều khiển đề xuất.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN FOC - IM CẤP NGUỒN BỞI NGỊCH LƯU ĐA MỨC CẦU H NỐI TẦNG ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN VỚI SỐ MỨC MONG MUỐN DEVELOPMENT OF FOC - IM CONTROL METHOD POWERED BY H-BRIDGE MULTILEVEL INVERTERS WITH THE SPACE VECTOR MODULATION AND THE DESIRED NUMBER OF LEVELS Phạm Thị Hồng Hạnh*, Trần Thị Hồng Thắm, Đặng Đình Chung TÓM TẮT Phương pháp điều khiển FOC - IM (Field Oriented Control-Induction Motor) phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor, sử dụng phổ biến Với nguyên lý tạo công cụ cho phép nhìn nhận động khơng đồng rotor lồng sóc có chất vật lí động chiều kích từ độc lập Với hệ truyền động FOC - IM cơng suất lớn mạch cơng suất thường lựa chọn nghịch lưu đa mức, với phương pháp điều chếc vector không gian Tuy nhiên, với cấu trúc nghịch lưu đa mức muốn dùng cho hệ truyền động công suất lớn (mức cao hơn) việc xây dựng vector khơng gian khó khăn, nhiều thời gian (khối lượng tính toán lớn) Bài báo đề xuất phương pháp khái quát hóa hệ truyền động FOC - IM cách khái qt hóa phương pháp điều chế vector khơng gian nghịch lưu đa mức Từ đó, hệ truyền động FOC - IM áp dụng cho cơng suất mong muốn (số mức mong muốn) Các kết mô Matlab - Simulink phương pháp đề xuất với tải máy bơm, quạt gió chứng minh hiệu phương pháp điều khiển đề xuất Từ khóa: Điều khiển tựa từ thơng rotor, nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng, điều chế vector không gian ABSTRACT Control method FOC - IM is a control method used very popular today With the principle of creating a tool that allows recognition of squirrel cage induction motor has the same physical nature as separately excited DC motor With the FOC - IM power transmission system, the power circuit is often selected as a multilevel inverter, with the method of modulating the space vector However, with the multi-level inverter structure when you want to use for the transmission system at a higher capacity (higher level), the construction of space vector is difficult, takes a lot of time (large calculation volume) This paper will propose the method of generalizing the FOC - IM transmission system by generalizing the method of spatial vector modulation of multilevel inverter From there, the FOC IM drive system can be applied to the desired power (desired number of levels) The model results on Matlab - Simulink of the proposed method with pump and blower loads have proven the effectiveness of the proposed control method Keywords: FOC, Multi-level H- bridge inverters, space vector modulation Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: phamthihonghanh@haui.edu.vn Ngày nhận bài: 10/01/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 16/3/2021 Ngày chấp nhận đăng: 25/4/2021 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ĐẶT VẤN ĐỀ Biến tần thường dùng chuyển đổi điện áp, dịng 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), thông thường, mạch lực nghịch lưu sử dụng sơ đồ mạch cầu H, van sử dụng IGBT Mosfet, kết hợp hệ thống điều khiển PWM (Pulse-width modulation) để điều khiển, nhiên nghịch lưu mức có nhược điểm tạo điện áp cung cấp động với độ dốc (dv/dt) lớn, gây số vấn đề khó khăn, tần số đóng cắt cao, số lượng van ít, điện áp đầu 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 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 thơng thường nghịch lưu ba pha, 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 cơng suất lớn, điện áp đặt lên linh kiện bị giảm xuống nên công suất tổn hao q trình đóng ngắt linh kiện giảm theo, thành phần sóng hài bậc cao điện áp giảm Đặc biệt nghịch lưu đa mức Vol 57 - No (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 33 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 cầu H nối tầng với khả modul 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 [2-7] Trong sản xuất công nghiệp động khơng đồng rotor lồng sóc (ĐCKĐB-RLS) ứng dụng rộng rãi, chi phí thấp, nhỏ gọn Động IM điều khiển theo nguyên tựa thơng rotor, ngun lý tạo cơng cụ cho phép nhìn nhận ĐCKĐB-RLS có chất vật lí (tạo từ thơng mơ-men quay) động chiều kích từ độc lập (ĐCMCKTĐL) [8, 9] Trong cấu trúc điều khiển FOC, 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) và mạch nghịch lưu (điện tử công suất lớn) Phương pháp điều chế SVM (Space vector modulation) với ưu điểm thường lựa chọn cho điều chế với điện áp cao, công suất lớn [10] Thực điều chế vector không gian cho nghịch lưu mức sử dụng cho hệ truyền động FOC [11] Tuy nhiên, muốn tăng số mức nghịch lưu (tăng công suất hệ truyền động) sử dụng phương pháp điều chế áp dụng cho khó khăn, khối lượng tính tốn lớn khơng sử dụng lại mức trước Vì vậy, báo đề xuất cầu trúc FOC - IM cấp nguồn nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng điều chế vector khơng gian thực đến số mức mong muốn (cơng suất mong muốn) Từ đó, cấu trúc điều khiển FOC - IM xây dựng với số mức khác nhau, công suất khác mà khơng phải xây dựng lại thuật tốn điều khiển hay phương pháp điều chế Các kết mô phong Matlab - Simulink chứng minh hiệu phương pháp điều khiển đề xuất KHÁI QUÁT HÓA PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẦU H NỐI TẦNG Hệ thống điện áp ba pha biểu diễn vector điện áp: 2 4 j j  v  (vA  e vB  e v C ) Biểu diễn vector điện áp hệ tọa độ Oαβ  v  v  j.v N HB-C1 HB-C2 HB-C3 HB-C4 (1) HB-A1 HB-B2 HB-A2 HB-B3 (2) C HB-C5 HB-A3 HB-B4 HB-A4 Với sơ đồ đa mức số lượng tam giác mặt phẳng vector tăng lên nhanh chóng số mức N tăng lên Việc tính tốn trở nên đơn giản sử dụng tính đối xứng hệ thống vector khơng gian góc phần sáu Thể mặt phẳng vector ba hệ tọa độ góc phần sáu (Z1x, Z1y), (Z2x, Z2y), (Z3x, Z3y), hình 2, (Z1x, Z1y) sử dụng hệ tọa độ 0gh, giúp phân biệt góc phần sáu 1, 2,…, Trước hết ta cần xác định hình chiếu vector điện áp T mong muốn vr   vr , vr  lên hai vector biên góc phần sáu phép chiếu tọa độ ,  lên hệ tọa độ tương ứng Z1, Z2, Z3 Điều thực với ma trận biến đổi hệ tọa M1, M2, M3 sau:    1   1  ; M2   M1      0   1         3  (4) ; M3        1   3 3  2.1 Xác định vị trí điện áp đặt Việc xác định vector điện áp đặt nằm sector nào, thực bảng Việc tính tốn (Z1x, Z1y) cho công thức (5):     z1x     v r    z      v r   1y  0     (5) Gọi mg, mh phần thập phân phần nguyên tọa độ z1x, z1y tương ứng: mg  z1x   z1x   z1x  k g   m  z1y   z1y   z1y  k h  h (6) ZC Bảng Xác định sector điều chế z1x.z1y < Z ZB z2x.z2y < HB-B5 HB-A5 (3) Trong đó: k g   z1x  , k h   z1y  B HB-B1 v   v A   v   (vB  v C )  A ZA HB-A5 Hình Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu 11 mức cầu H nối tầng Hình Ba hệ tọa độ khơng vng góc tạo nên góc phần sáu (các sector) 34 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) z3x