Nghiên cứu và thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha theo phương pháp U/f = const và điều chế SPWM

Biến tần và tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông … Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ. Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử.

Phân loại biến tần

- Nghịch lưu nguồn áp: trong dạng này, dạng điện áp ra tải được định dạng trước (thường có dạng xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thuộc vào tính chất tải. Nguồn cung cấp phải là nguồn dòng để đảm bảo giữ dòng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức điện động thì phải có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều khiển ổn định dòng điện.

Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần

Màn hình hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thông tin hệ thống như tần số, dòng điện, điện áp,… và để người sử dụng có thể đặt lại thông số cho hệ thống. Sự ra đời của các bộ vi xử lý có tốc độ tính toán nhanh có thể thực hiện các thuật toán phức tạp thời gian thực, sự phát triển của các lý thuyết điều khiển, công nghệ sản xuất IC có mức độ tích hợp ngày càng cao cùng với giá thành của các linh kiện ngày càng giảm dẫn đến sự ra đời của các bộ biến tần ngày càng thông minh có khả năng điều khiển chính xác, đáp ứng nhanh và giá thành rẻ.

Phương thức điều khiển

• Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụng một tín hiệu xung tam giác vtri (gọi là sóng mang) đem so sánh với một tín hiệu sin chuẩn vc (gọi là tín hiệu điều khiển). Như vậy, nếu điện áp một chiều đầu vào không đổi, để điều chỉnh biên độ và tần số của điện áp đầu ra ta chỉ việc điều chỉnh biên độ và tần số của tín hiệu sin chuẩn vc. Nếu lồng ghép các trạng thái có thể có của q1, q3 và q5 vào phương trình (3-11) ta thu được phương trình điện áp dây (trị biên độ) theo các trạng thái của các khóa.

Thông thường một trong những tiêu chuẩn để lựa chọn giản đồ đóng kích linh kiện là giảm thiểu tối đa số lần chuyền mạch của linh kiện, để giảm tổn hao trong quá trình đóng cắt của chúng. Ưu điểm của phương pháp này tốc độ đáp ứng rất nhanh, không cần các thiết bị phản hồi, giảm được sử hỏng hóc về cơ khí, hiệu suất gần bằng máy điện một chiều mà không có phản hồi.

SƠ DỒ TÍNH NĂNG

Khi điều chỉnh tốc độ thông qua việc đặt tần số, cân phải có thời gian chuyển từ tần số này sang tần số mới để tránh hiện tượng động cơ bị giật mạnh. Thời gian động cơ chuyển từ tần số điều khiển này sang tần số điều khiển mới được xử lý trong khâu xác định tần số điều khiển mới. Khi đảo chiều cũng vậy, phải đưa động cơ về giá trị đủ nhủ rồi mới thực hiện đảo chiều quay để tránh moment xoắn tác động lên động cơ.

Tính toán các thông số của động cơ Các thông số cho trên động cơ

Thiết kế tầng nghịch lưu và tầng mạch kích

Module công suất IRAMX16UP60A của International Rectifier làm một module công suất tích hợp được phát triển và tối ưu cho các ứng dụng điều khiển động cơ như máy giặt, các bộ truyền động máy nén điều chỉnh tốc độ trong các hệ thống điều hòa không khí trong nhà và các tủ lạnh thương mại. Module IRAM 600V bao gồm 6 khóa IGBT cùng với mỗi điện trở cực cửa cho mỗi khóa, ba diode liên lạc cho mỗi pha, mạch kích dịch mức (level shifting), ba diode boostrap cùng với điện trở hạn chế dòng và cặp nhiệt điện trở, điện trở cho việc cắt khi quá nhiệt độ. Qg - điện tích cực cửa cho viêc mở IGBT QRRBS - điện tích phục hồi đảo diode boostrap IQBS - dòng điện tĩnh mạch lái phía cao của IC QLS- điện tích dịch mức bởi bộ dịch mức trong IC IDL - dòng điện rò trên diode.

Thiết kế mạch theo dừi dũng điện

Tín hiệu điện áp được thao tác dễ dàng hơn so với tín hiệu dòng điện, do dó điện trở shunt làm việc giống như một bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp. Trong nhưng ứng dụng điều khiển động cơ đặc trưng, điện áp trên điện trở shunt có thể âm hoặc dương so với điểm đất (V-). Theo khuyến cáo trong tài liệu của nhà sản xuất, người thiết kế phải cung cấp một mạch ngoài cấp tín hiệu vào trân T/Itrip để tắt hệ thống nhanh nhất có thể khi giá trị dòng điện đạt gần đến giá trị lớn nhất cho phép.

Thiết kế mạch điều khiển

 Các bộ định thời đa chức năng, đếm sự kiện, đồng hồ thời gian thực, bộ điều chế độ rộng xung có và không có dải an toàn (deadband).  Có thể kết nối với tất cả các chân vào ra - Bộ nhớ linh hoạt trên chip.

Thiết kế bộ nguồn

- Yêu cầu công suất cho việc tạo tín hiệu điều khiển - Tổn thất tĩnh của IC lái và tổn thất dịch mức - Tổn thất trên diode boostrap. Trong trường hợp xấu nhất, giá trị của Qg có thể lấy bằng 80nC trong họ module này, giá trị điện áp lớn nhất cho phép của điện áp cực G là 20V và tần số trong những ứng dụng điều khiển động cơ điện lớn nhất là 20kHz. Nhân giá trị trên với hệ số dữ trữ bằng 2 cộng với các công suất phụ khác la cần một công suất xấp xỉ 1W với nguồn 15V.

Phân tích khảo sát phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM

Nếu mf là một giá trị không nguyên thì trong dạng sóng đầu ra sẽ có các thành phần điều hòa phụ (subharmonic). Nếu mf không phải là một số lẻ, trong dạng sóng đầu ra sẽ tồn tại thành phần một chiều và các hài bậc chẵn. Giá trị của mf nên là bội số của 3 đối nghịch lưu áp ba pha vì trong điện áp dây đầu ra sẽ triệt tiêu các hài bậc chẵn và hài là bội số của ba.

Phương pháp điều chế tín hiệu Sin PWM ba pha theo luật U/f=const sử dụng PSoC

Tần số băm xung lớn nghĩa là tần số chuyển mạch của các van công suất (hay các khóa điện tử) trong bộ nghịch lưu lớn dẫn đến tăng tổn hao do chuyển mạch nhưng lại làm giảm các điều hòa bậc cao trong dạng sóng dòng điện do đó làm giảm tổn hao chung trong động cơ. Do các van trong bộ nghịch lưu là cac IGBT (các van này yêu cầu thời gian đóng lâu hơn thời gian mở) nên để tránh trùng dẫn phải tạo ra một khoảng trễ giữa thời điểm mở khóa này và đóng khóa kia. Trong mỗi chu kỳ ngắt, giá trị thanh ghi so sánh trong bộ PWM sẽ được truy xuất từ bảng sin (đã được tính lại theo giá trị của tần số điều khiển) bởi biến con trỏ, sau đó biên con trỏ được tăng lên để chỉ đến giá trị mới trong bảng sin.