Cấu trỳc bộ điều khiển hệ truyền động PMSM

3.3.1. Khỏi quỏt chung

Như đó trỡnh bày trong chương II, Trong cấu trỳc cỏc bộ điều khiển xoay chiều thỡ bộ chỉnh lưu PWM nguồn ỏp cú hiệu quả nhưng giỏ thành cao trong khi đú cầu đi ốt giỏ thành lại rẻ hơn nhưng hiệu quả lại thấp. Do đú, trong chương này sẽ trỡnh bày phương ỏn thay thế cho cỏc bộ chỉnh lưu trờn đú là sơ đồ chỉnh lưu sử dụng cấu trỳc gồm 3 đi ốt và 3 IGBT. Với cấu trỳc này cú thể cung cấp hiệu suất cao hơn cầu đi ốt 3 pha điển hỡnh và cú giỏ thành giẻ hơn bộ chỉnh lưu PWM. Cấu trỳc đề xuất được đưa trong Hỡnh 3.3.

S6 S4 S2 S5 S3 S1 PMSM -Vdc +Vdc Cd D1 D2 D3 Q1 Q2 Q3 Ls Vs QP

Hỡnh 3.3. Cấu trỳc bộ điều khiển xoay chiều đó đề xuất

Sự khỏc biệt rừ ràng nhất giữa cấu trỳc được đề xuất và bộ chỉnh lưu PWM là giảm bớt 3 cụng tắc IGBT. Do đú làm giảm giỏ thành bộ nguồn cụng suất. Thụng thường cỏc bộ biến đổi PWM cú 4 bộ nguồn cụng suất được cỏch ly với cỏc cổng điều khiển: Một trong số cỏc cụng tắc phớa trờn và một cho 3 cụng tắc phớa dưới. Bởi vỡ 3 cụng tắc IGBT phớa dưới cú cấu hỡnh cực emitter chung, đõy là cấu trỳc mà khi hoạt động chỉ đũi hỏi 1 bộ nguồn cụng suất cỏch ly.

Với cấu trỳc này cú thể thực hiện như là bộ biến đổi tăng điện ỏp 3 pha cơ bản. Vỡ vậy, cấu trỳc được đề suất là cú khả năng điều khiển đường truyền dẫn DC. Tuy nhiờn, khi đường dẫn DC thấp hơn đỉnh cao nhất của nguồn xoay chiều, qui

phạm xõy dựng bộ biến đổi như một cầu đi ốt 3 pha chuẩn. Đú là, điện ỏp đường dẫn DC khụng thể điều khiển được từ 0V đến khoảng 2.V_LL trừ khi cụng tắc Q_p được sử dụng, điều này cú thể dẫn tới chế độ dẫn giỏn đoạn trong dũng một chiều.

Hơn nữa, cấu trỳc được đề suất cú khả năng điều khiển hệ số cụng suất dẫn đến sự trễ như được xỏc định bởi hệ thống điều khiển. Tuy nhiờn, nhược điểm chớnh là cú hai vựng trờn dạng súng ở nửa chu kỳ õm bị mất quyền điều khiển trong một thời gian ngắn. Kết quả tỡnh trạng này là dạng súng khụng đối xứng và dẫn tới sản sinh ra nhiều súng hài chẵn - lẻ. Tất cả những đặc điểm này sẽ được bàn luận chi tiết hơn trong cỏc phần sau.

3.3.2. Nguyờn lý hoạt động của bộ chỉnh lƣu

Nhỡn chung mạch hoạt động gần tương tự như bộ chuyển đổi tăng ỏp. Xột ở nửa chu kỳ dương dũng điện hỡnh sin pha A. Chuyển mạch Q₁ cú thể bị đúng (xem Hỡnh 3.4) để ngắn mạch điện ỏp U_ab qua điện cảm đầu vào. Điều này làm cho dũng điện trong pha A tăng và năng lượng sẽ được cất giữ trong điện cảm đầu vào. Sau đú, khi Q₁ được mở, dũng điện đầu vào ngay lập tức phải được liờn tục trong L_S. Do đú, D₁ được định thiờn trước và năng lượng được lưu giữ trong cỏc điện cảm đầu vào được chuyển tới tụ điện một chiều Cd .

QP Vs Ls Q3 Q2 Q1 D3 D2 D1 Cd +Vdc -Vdc

-Vdc +Vdc Cd D1 D2 D3 Q1 Q2 Q3 Ls Vs QP

Hỡnh 3.5. Hoạt động của bộ chỉnh lƣu khi khúa Q1 mở

Quỏ trỡnh này làm cho hỡnh dỏng dũng điện ở nửa chu kỳ dương tốt hơn. Tuy nhiờn, cú những khu vực ở nửa chu kỳ õm hệ điều khiển khụng thể duy trỡ được. Chỳng ta xột Hỡnh 3.4 nú chỉ ra rằng phần dẫn điện trong bất cứ pha nào để cho nửa chu kỳ õm dũng điện thụng qua đi ốt nối song song ngược tương ứng của pha đú. Đi ốt là phần tử thụ động và sự truyền dẫn của nú được điều khiển phần lớn bởi điện ỏp pha mà khụng phải hệ thống điều khiển. Bởi vậy, súng dũng điện khụng thể được điều chỉnh xung quanh súng mẫu trong khu vực nửa chu kỳ õm.

Sự đối xứng của hệ thống 3 pha bảo đảm 1 trong 2 điều kiện được đỏp ứng tại bất kỳ thời gian nhất định nào.

(1) Hai súng dương và một súng õm (vựng I, III và V) (2) Hai súng õm và một súng dương (vựng II, IV và VI)

Nú chỉ ra rằng khụng cú phần tử tớch cực nào điều khiển dũng điện trong nửa chu kỳ õm. Tuy nhiờn, do thực tế hệ thống cú nguồn 3 pha nối hỡnh sao, định luật Kirchoff về dũng điện (KCL) đũi hỏi tổng dũng điện ia, ib và ic bằng 0. Vỡ vậy, trong vựng I, III và V, mặc dự bằng phẳng dũng điện õm khụng thể được điều khiển trực tiếp. Nú được điều khiển giỏn tiếp bởi hai dũng được điều khiển dương và rằng buộc bởi KCL. Trong vựng II, IV và VI, dũng điện điều khiển duy nhất là một trong cỏc nửa chu kỳ dương. Điều khiển 1 trong 3 dũng điện là khụng đủ để cưỡng bức cỏc pha khỏc được điều chỉnh và do đú hai dũng điện õm khụng điều khiển được.

3.3.3. Cấu trỳc điều khiển chỉnh lƣu

Cú một vài mục tiờu điều khiển cho bộ điều khiển đề xuất. Đầu tiờn và quan trọng nhất, chỳng ta muốn điều khiển hỡnh dạng dũng điện đường dõy lối vào bộ chỉnh lưu. Đồng thời chỳng ta muốn điều khiển mức điện ỏp một chiều cũng như hệ số cụng suất của dũng đó nhận. Và cuối cựng, chỳng ta muốn điều khiển dũng một chiều trong quỏ trỡnh khởi động với mục đớch là dũng điện xõm nhập lớn được ngăn lại. Để mà đạt được tất cả cỏc mục tiờu điều khiển đú, nú là cần thiết để phõn chia điều khiển thành nhiều phần khỏc nhau.

Vũng điều khiển trong cựng nhất là vũng điều khiển dũng điện bởi vỡ nú cú phản ứng động nhanh nhất. Khi trạng thỏi của bộ chỉnh lưu tương tự bộ biến đổi điện ỏp đó biết, nú là hợp lý với giả thiết rằng dũng điện cú thể được điều khiển bởi kỹ thuật PWM. Bằng việc thay đổi chu kỳ làm việc, dũng điện trung bỡnh cú thể được tăng lờn hoặc giảm đi (xem Hỡnh 3.7). Cú một vài kỹ thuật điều khiển dũng điện đó biết. Phương phỏp thiết thực và đơn giản nhất cho bộ biến đổi là điều khiển dũng trễ. Tuy nhiờn, điều khiển trễ là điều khiển kiểu tần số chuyển mạch thay đổi. Tần số chuyển mạch phụ thuộc phần lớn vào cỏc tham số tải và thay đổi theo điện ỏp xoay chiều đầu vào, và bảo vệ bộ biến đổi là khú khăn bởi vỡ chuyển mạch cú phần ngẫu nhiờn [11]. Việc sử dụng bộ điều khiển PI tuyến tớnh là thoả đỏng nếu cỏc súng hài thấp của dũng điện điều khiển dưới 1/9 tần số súng mang. Trong trường hợp này, súng mang đũi hỏi ổn định tại 12 kHz. Vỡ vậy, tần số cơ sở 50 Hz

của lưới điện được chỉnh lưu tốt nhất dưới giới hạn là 1,33 kHz và sẽ được sử dụng để điều khiển cho bộ điều khiển đề xuất.

Hỡnh 3.7. Đặc tớnh bộ biến đổi điện ỏp

Đối tượng điều khiển tiếp theo là điện ỏp một chiều. Tương đối so với dũng điện, điện ỏp một chiều chậm vỡ sự tớch trữ năng lượng trong tụ điện. Vỡ vậy, mạch vũng điện ỏp là mạch vũng điều khiển phớa ngoài. Điều khiển điện ỏp là vũng lặp điều khiển thứ hai, vũng lặp này cần xỏc định biờn độ, hỡnh dạng và dịch pha của dũng điện mong muốn. Biờn độ của dũng điện điều khiển xỏc định lượng điện tớch được bơm vào tụ điện một chiều bởi dũng điện, và do đú điều chỉnh mức điện ỏp một chiều, như đưa ra trong (3.13).



Hỡnh dạng của dũng điện điều khiển cần phải sin để loại trừ cỏc súng hài và gúc pha của dũng điện điều khiển cần phải nhỏ để bảo đảm hệ số cụng suất cao hơn. Bằng việc nhõn biờn độ được điều khiển của dũng điện súng sin đơn vị cú gúc pha riờng, lệnh hiện hành trong mỗi pha cú thể phỏt sinh. Tổng quan hệ thống điều khiển được thảo luận chi tiết trong Hỡnh 3.8.

+ - ^PI Vdc Vdc * Bộ điều chỉnh điện áp +_- PI Bộ điều chỉnh dòng điện ia * + - ^PI Bộ điều chỉnh dòng điện ib * + - ^PI Bộ điều chỉnh dòng điện ic * ia ib ic Máy tạo PWM Cổng Q1 Cổng Q2 Cổng Q3

Hỡnh 3.8. Sơ đồ cấu trỳc điều khiển chỉnh lƣu

Ngoài ra chỉ được trỡnh bày điều khiển ổn định, một vũng điều khiển riờng biệt cần phải được thực hiện để điều khiển chuyển mạch Qp. Chuyển mạch cú trỏch nhiệm hạn chế dũng khởi động ở điện ỏp thấp và chỉ nờn điều khiển khi điện ỏp một chiều nhỏ hơn 2.V_LL. Giới hạn trờn của dũng khởi động được lựa chọn là 20A và điều khiển (bang - bang) độ trễ đơn giản được sử dụng để điều chỉnh nú. Như chỉ ra trờn Hỡnh 3.9.

Khi Qp được đặt nối tiếp với liờn kết DC. vấn đề là khụng cú phần xoay chiều của truyền dẫn cho dũng điện. Do đú, mở và đúng Q_p tạo ra dẫn dũng giỏn đoạn. Nếu khụng thiết kế mạch chống giao động cẩn thận, điện ỏp ngược được tạo ra bởi Ls trở nờn quỏ lớn. Do đú, một mạch chống dao động RC đơn giản được thực hiện để cấp phỏt đường dẫn song song của dũng điện xung quanh chuyển mạch và ngăn cản cỏc giỏn đoạn dũng điện.

+_- Idc Idc * 1 Vdc2 VLL Vdc2 VLL Cổng Qp

Hỡnh 3.9. Khối điều khiển Q_p 3.3.4. Cấu trỳc điều khiển nghịch lƣu

Trong thời điểm hiện nay cấu trỳc được sử dụng phổ biến nhất đạt chất lượng cao là cấu trỳc điều khiển vector. Khi lựa chọn cấu trỳc điều khiển nghịch lưu vector theo từ thụng rotor người ta cú thể đưa ra một số sơ đồ khỏc nhau.

Từ phương trỡnh cõn bằng điện ỏp trờn hệ d-q, kết hợp với cỏc quan hệ cú được khi ỏp dụng định hướng từ thụng rotor, thực hiện thành lập cỏc phương trỡnh mụ tả quan hệ giữa cỏc thành phần điện ỏp và dũng điện stator trờn hệ tọa độ d-q, làm cơ sở cho việc tớnh toỏn giỏ trị cỏc thành phần điện ỏp đặt, sau khi chuyển tọa độ về hệ ba pha thu được cỏc giỏ trị đặt điện ỏp stator. Từ cỏc giỏ trị đặt điện ỏp, sử dụng nguyờn lý điều chế độ rộng xung hỡnh sin (SPWM) hoặc nguyờn lý điều chế vector khụng gian để thực hiện việc điều khiển cỏc van nghịch lưu.

PMSM d/dt 3 2 3 2 e e^-js e e^js u^*_ u^*_d u^*_q R_I R_I ^u *  i = 0_d *  R_ i_d i_q i_ i_ P_P _m  PWM - - -

Hỡnh 3.10. Sơ đồ điều khiển vectơ trong truyền động PMSM

Trong sơ đồ điều khiển vectơ PMSM, bộ nghịch lưu là điều chế độ rộng xung nguồn ỏp, bộ đo vị trớ sử dụng encoder để xỏc định chớnh xỏc vị trớ của rotor. Cỏc đại lượng điều khiển được thực hiện trờn hệ tọa độ d-q, sau đú được đưa qua cỏc khõu biến đổi chuyển thành cỏc đại lượng ba pha điều khiển bộ điều khiển độ rộng xung. Dũng điện 3 pha stator qua cỏc khõu biến đổi để chuyển thành cỏc đại lượng dũng điện trờn hờ tọa độ d-q. Với giả thiết bỏ qua thành phần moment đập mạch nờn trong sơ đồ điều khiển khụng đề cập tới việc bự cỏc thành phần moment

này. Cũng vỡ giả thiết rằng thành phần moment phản khỏng là khụng đỏng kể nờn i_d coi như bằng khụng. Cỏc bộ điều khiển dũng điện sử dụng bộ điều chỉnh PI nhằm khử sai lệch tĩnh.

3.4. Kết luận

Trong phần trờn ta đó tỡm hiểu tổng quan về động cơ điện đồng bộ và mụ hỡnh toỏn học của PMSM. Tỏc giả đó đưa ra cấu trỳc bộ điều khiển truyền động PMSM với cấu trỳc gồm 3 đi ốt và 3 IGBT, với cấu trỳc này chỳng ta cú thể cải thiện được hỡnh dạng dũng điện đầu vào bộ chỉnh lưu. Mạch điều khiển sử dụng hai mạch vũng phản hồi là mạch vũng dũng điện và mạch vũng điện ỏp.

Chƣơng 4. Mễ PHỎNG HỆ THỐNG 4.1. Tổng quan

4.1.1. Mụ hỡnh hoỏ hệ thống

Để đỏnh giỏ đầy đủ về sự làm việc của cấu trỳc bộ chỉnh lưu đó đề xuất, hệ thống động lực và mạch điều khiển được mụ phỏng bằng phần mềm Matlab & Simulink. Cỏc mụ phỏng sẽ kiểm nghiệm lại những giả thiết ban đầu và những ảnh hưởng của cỏc tham số khỏc tới quỏ trỡnh hoạt động chung của bộ điều khiển. Cỏc tham số hệ thống giả định như sau:

 Nguồn 3 pha, 380V, nối hỡnh sao  Động cơ 5HP

 Tần số chuyển mạch bộ chỉnh lưu 12kHz  Nghịch lưu với tải PMSM

o Đầy tải 15.2 A

 Đũi hỏi điện ỏp xoay chiều 375V

4.1.2. Tổng quan về Simulink

Phần mềm mụ phỏng Matlab & Simulink là một cụng cụ mụ phỏng mạnh với giao diện, khả năng lập trỡnh linh hoạt, cựng với cỏc cụng cụ cú sẵn để phục vụ mụ phỏng cho cụng việc nghiờn cứu cho cỏc ngành kỹ thuật như: Điện, điện tử, điều khiển tự động…Trong đú Simulink là cụng cụ dựng để mụ phỏng và phõn tớch hệ thống động học được tớch hợp sẵn trong chương trỡnh Matlab/ Simulink cho phộp chỳng ta mụ phỏng hệ thống điều khiển trờn cả miền thời gian liờn tục và giỏn đoạn. Cỏc thư viện sẵn cú trong Simulink bao gồm cỏc khõu cơ bản trong ngành kỹ thuật điều khiển tự động đỏp ứng đầy đủ yờu cầu mụ phỏng, phõn tớch cũng như tớnh mở cho người sử dụng nếu người sử dụng muốn định nghĩa thờm một khõu mới. Ngoài ra Simulink cũn tương thớch với cỏc chương trỡnh được lập trỡnh trờn Matlab là M- file. Điều này làm cho quỏ trỡnh mụ phỏng thờm linh hoạt.

Trong phần này, để đỏnh giỏ chất lượng của bộ chỉnh lưu theo phương ỏn đó thiết kế, trước tiờn chỳng ta mụ phỏng sự làm việc của bộ chỉnh lưu cầu đi ốt truyền thống với tải 5HP(15.2A).

4.2.1. Mụ phỏng bộ chỉnh lƣu cầu đi ốt 3 pha

Hỡnh 4.1. Sơ đồ mụ phỏng bộ chỉnh lƣu cầu đi ốt 3 pha với tải 5HP

Hỡnh 4.3. Phổ súng hài dũng điện của bộ chỉnh lƣu cầu đi ốt 4.2.2. Xõy dựng chƣơng trỡnh mụ phỏng bộ chỉnh lƣu

Để bước đầu đỏnh giỏ về sự hoạt động của bộ chỉnh lưu, chỳng ta xột hệ thống ở chế độ xỏc lập. Nghĩa là, điện dung một chiều được giả định là đó nạp sẵn tới điện ỏp mong muốn. Giả thiết với tải một chiều khụng đổi 15.2A. Sau khi bộ chỉnh lưu và hệ thống điều khiển được kiểm nghiệm, nú sẽ được kết nối với bộ nghịch lưu và tải PMSM để tạo thành hệ thống hoàn chỉnh.

Tụ điện một chiều được mụ hỡnh hoỏ như phần tử điện trở nối tiếp với tụ điện. Điện cảm đầu vào được mụ hỡnh như phần tử điện trở nối tiếp với điện cảm. Hơn nữa, nguồn cũng được mụ hỡnh với một trở khỏng để tớnh toỏn cho điện cảm nguồn và tụ điện ngắn mạch.

Thụng số của bộ điều khiển chỉnh lưu như sau:  Thụng số bộ PI mạch vũng dũng điện: o KP = 0.4 o K_I = 1  Thụng số bộ PI mạch vũng điện ỏp: o K_P = 0.05 o KI = 0.01

Hỡnh 4.6. Sơ đồ mụ phỏng chi tiết khối tạo xung PWM

Hỡnh 4.7. Sơ đồ mụ phỏng chi tiết khối đo lƣờng 4.2.3. Cỏc kết quả mụ phỏng bộ chỉnh lƣu

Để mụ phỏng hệ thống ở trạng thỏi ổn định, mụ hỡnh chỉ ra trong Hỡnh 4.4 ở chương 3 được sử dụng. Tải là nguồn dũng 15,2A. Giả sử tại thời điểm bắt đầu tiến hành mụ phỏng tụ điện đó được nạp sẵn tới 375V. Kết quả dũng điện nguồn 3 pha chỉ ra trong Hỡnh 4.8.

Hỡnh 4.8. Dạng súng dũng điện qua bộ chỉnh lƣu

Phổ súng hài được của bộ chỉnh lưu chỉ ra trong Hỡnh 4.9.

Hỡnh 4.9. Phổ súng hài dũng điện của bộ chỉnh lƣu 4.3. Mụ phỏng hệ thống với tải PMSM