Dịch chuyển điểm trung tính trong khi Bypass

Một trong những ưu điểm vượt trội của biến tần đa cấp cầu chữ H nối tầng đó là khả năng hoạt động dưới mức công suất khi có cầu H (Cell) bị lỗi. Khi một Cell bị lỗi trong một pha nào đó của biến tần thì nó không làm ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của biến tần, lúc đó điện áp đầu ra sẽ giảm xuống. Thông thường điện áp đầu ra phía động cơ tỷ lệ thuận với tốc độ, do đó tốc độ lớn nhất khi đó cũng sẽ giảm. Tuy nhiên thì động cơ vẫn hoạt động mặc dù có một vài Cell bị lỗi. Khi tất cả các Cell hoạt động thì điện áp đầu ra có thể đạt ngưỡng lớn nhất. Còn khi có Cell lỗi trên một pha nào đó thì lập tức Contactor Bypass được đóng lại để duy trì trạng thái hoạt động của biến tần. Đồng thời các góc pha của các điện áp Cell được điều chỉnh, do đó điện áp đầu pha phía động cơ được cân bằng mặc dù điện áp trên các pha nghịch lưu không căn bằng, tài liệu [13].

43

Hình 2.19 Điện áp đầu ra biến tần được điều chỉnh góc pha khi có Cell lỗi [12]

Hình 2.20 Trạng thái hoạt động của biến tần khi có cell bị lỗi [12]

Nếu X là số Cell của biến tần bị lỗi thì điện áp lớn nhất của đầu ra biến tần sau khi Bypass là: ) * 2 /( ) * 2 ( * _ V N X N

Vout Bypass  out 

out

V là điện áp lớn nhất mà đầu ra biến tần có thể đạt được (Vout 1.78*N*Vcell) N là số Cell trên một pha.

cell

44

CHƯƠNG 3. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG BIẾN TẦN ĐA CẤP CẦU CHỮ H NỐI TẦNG

Nghịch lưu đa cấp cầu H nối tầng là một trong những cấu trúc nghịch lưu phổ biến trong truyền động trung áp do khả năng hoạt động ở điện áp cao, tốc độ biến thiên điện áp dv /dt thấp và điện áp đầu ra gần hình sin hơn với các cấu trúc khác cùng mức. Chúng đặc biệt được sử dụng trong các ứng dụng công suất rất cao bởi vì cấu trúc mô đun và triệt tiêu sóng hài dòng điện đầu vào rất tốt. Kỹ thuật PWM được sử dụng rộng rãi để tạo ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị chuyển mạch. Bởi thiết kế phù hợp với mô hình điều khiển, biên độ và tần số đầu ra có thể được điều chỉnh thích hợp, sóng hài tần số thấp được loại bỏ hoặc giảm đáng kể, tài liệu [1,3,4,6,11].

Do sự đơn giản và phổ biến của kỹ thuật này, nó sẽ được phân tích trong chương này một cách chi tiết và sẽ được sử dụng như bộ điều chế của cấu trúc đa cấp. 3.1Điều chế hai cực tính

Hình 3.1 thể hiện sơ đồ cấu trúc đặc trưng của một cầu H. Nó bao gồm có hai nhánh nghịch lưu với mỗi nhánh bao gồm hai IGBT.

45

Điện áp đầu vào Vd không đổi, trong khi điện áp đầu ra VAB có thể được điểu chỉnh bằng điều chế một cực tính hay điều chế hai cực tính.

Hình 3.2 thể hiện dạng sóng đặc trưng của nghịch lưu cầu H với điều chế hai cực tính, vm là sóng điều chế hình sin, vrc là sóng mang tam giác, vg1 và vg3 là hai tín hiệu điều khiển tương ứng với các khóa S1và S3 trong mạch cầu H. Các khóa trên cùng một nhánh hoạt động với điều kiện một khóa đóng thì một khóa phải ngắt. Vì vậy, chúng ta chỉ cần tạo ra hai tín hiệu điều khiển độc lập vg1 và vg3, chúng được tạo ra bằng cách so sánh vm với vcr. Dạng sóng của điện áp dây vAB có thể nhận được từ điện áp pha vAN và vBN như sau: vAB vAN vBN. Bởi vì dạng sóng của vAB thay đổi giữa điện áp một chiều dương và âm Vd, do đó phương pháp này được gọi là điều chế hai cực tính [4].

46

(b)Phổ sóng hài

Hình 3.2 Điều chế PWM hai cực tính cho nghịch lưu cầu H [4] (mf 15, ma 0.8, fm60Hz, fcr 900Hz)

3.2Điều chế một cực tính

Điều chế một cực tính thường yêu cầu hai sóng sin điều chế vm và vm có cùng tần số và biên độ nhưng lệch pha nhau 0

180 . Hai sóng điều chế được so sánh với một sóng mang tam giác vcr, tạo ra hai tín hiệu điều khiển vg1và vg3 cho hai khóa S1 và S3 tương ứng. Có thể thấy rằng hai khóa chuyển mạch không đồng thời, điều này khác so với điều chế PWM hai cực tính (bốn khóa chuyển mạch đồng thời). Điện áp đầu ra nghịch lưu vAB thay đổi giữa hai giá trị 0 và Vd trong nửa chu kỳ dương hoặc giữa 0 và Vdtrong thời gian nửa chu kỳ âm của tần số cơ bản. Do đó, phương pháp này được gọi là phương pháp điều chế một cực tính, tài liệu [4].

47

Hình 3.4b thể hiện phổ hài của điện áp đầu ra nghịch lưu vAB. Sóng hài xuất hiện quanh tâm dải biên 2mf và 4mf . Sóng hài bậc thấp sinh ra bởi điều chế hai cực tính như mf

và mf 2, được loại bỏ bởi điều chế một cực tính. Hài chủ yếu được phân bổ quanh

f

m

2 , tần số của chúng là lân cận 1800 Hz. Về bản chất đây là tương đương tần số chuyển mạch nghịch lưu fsw,inv, đó cũng là tần số chuyển mạch của tải. So sánh tần số chuyển mạch van (900 Hz) thì tần số chuyển mạch nghịch lưu gấp đôi. Điều đó được giải thích là do nghịch lưu cầu H có hai cặp chuyển mạch bổ sung chuyển mạch tại tại tần số 900 Hz. Nhưng hai cặp này thông thường chuyển mạch tại hai thời điểm khác nhau, dẫn đến fsw,inv 2fsw,dev

Một lưu ý đặc biệt là sóng hài trội 2mf 1 và 2mf 3 tạo ra bởi điều chế một cực tính có cùng biên độ như điều chế hai cực tính.

Điều chế một cực tính cũng có thể thực hiện bằng cách sử dụng duy nhất một sóng điều chế vm nhưng hai sóng mang vcrvà vcrdịch pha nhau. Hai sóng mang có cùng biên độ và tần số nhưng lệch pha 0

180 . Khóa S1 đóng bởi vg1 khi vm vcr, trong khi S3đóng khi vmvcr. Kỹ thuật điều chế này thường sử dụng trong nghịch lưu cầu H nối tầng (Cascaded H Bridge - CHB).

48

Hình 3.4 Điều chế PWM một cực tính với hai sóng điều chế dịch pha [4] (mf 15, ma 0.8, fm 60 Hz, fcr 900 Hz)

3.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung trên cơ sở nhiều sóng mang

Giản đồ kích đóng các công tắc bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:

- Sóng mang tam giác uc(carier signal) tần số cao.

- Sóng điều khiển ur(reference signal) hoặc sóng điều chế (modulating signal). Việc so sánh được thực hiện trong từng chu kỳ sóng mang để tạo ra mức áp mong muốn. Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao bị khử càng nhiều. Tuy nhiên tần số sóng mang cao dẫn đến tần số đóng ngắt cũng tăng cao làm cho tổn hao phát sinh trong quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo. Ngoài ra, các linh kiện

49

còn đòi hỏi có thời gian đóng ton và ngắt toff nhất định. Các yếu tố này hạn chế việc chọn tần số sóng mang.

Sóng điều khiển mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ở ngõ ra. Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp ba pha, sóng điều khiển phải được lệch pha nhau 1/3 chu kỳ của nó.

Đối với bộ nghịch lưu áp n cấp, số sóng mang được sử dụng là (n1). Chúng có cùng tần số fc và cùng biên độ đỉnh – đỉnh Ac. Sóng điều chế (hay sóng điều khiển) có biên độ đỉnh bằng Am và tần số fm, dạng sóng của nó thay đổi xung quanh trục tâm của hệ thống (n1) sóng mang. Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì linh kiện tương ứng với sóng mang đó sẽ được kích đóng, ngược lại nếu sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang thì linh kiện đó sẽ bị khóa kích.

Phương án điều chế trên cơ sở sóng mang cho nghịch lưu đa cấp thường phân thành hai loại: (a) Phương pháp điều chế dịch mức (Level Shifted Modulation Method - LSMM) và (b) Phương pháp điều chế dịch pha (Phase Shifted Modulation Method - PSMM). Cả hai phương pháp đều ứng dụng rất tốt cho nghịch lưu cầu H nối tầng. Mô tả ngắn ngọn về phương pháp như sau:

3.3.1 Phương pháp điều chế dịch pha (PSMM)

Với phương pháp này, nghịch lưu đa cấp với mcấp điện áp đầu ra thì cần sử dụng (m1)sóng mang tam giác. Tất cả các sóng mang tam giác có cùng tần số và biên độ nhưng có sự dịch pha giữa hai sóng mang lân cận bất kỳ, xác định bởi:

) 1 /( 3600   cr m

Sóng điều chế thường là sóng hình sin ba pha với biên độ và tần số điều chỉnh được. Cáctín hiệu điều khiển được tạo ra bằng cách so sánh sóng điều chế với sóng mang.

Hình 3.5 minh họa nguyên tắc của điều chế dịch pha với nghịch lưu CHB bảy cấp, có sáu sóng mang tam giác với độ dịch pha 0

60 giữa hai sóng mang lân cận bất kỳ. Sóng điều chế ba pha hình sin, để đơn giản ta chỉ xét sóng điều chế pha A trên sơ đồ.

50

Hình 3.5 PWM dịch pha với nghịch lưu 7 cấp cầu H [4] (mf 3, ma 0.8, fm 60Hz, fcr 180Hz)

3.3.2 Phương pháp điều chế dịch mức (LSMM)

Tương tự như điều chế dịch pha, với nghịch lưu CHB mcấp sử dụng phương pháp điều chế dịch mức cần (m1) sóng mang tam giác, tất cả có cùng tần số và biên độ. (m1) sóng mang tam giác được bố trí xếp chồng lên nhau. Chỉ số tần số điều chế được xác định bởi mf  fcr/ fm, còn lại vẫn giữ nguyên như sơ đồ điều chế dịch pha với chỉ số biên độ điều chế xác định bởi:

) 1 ( ˆ ˆ   m V V m cr m a 0ma 1 (3.1) Với Vˆm là biên độ đỉnh của sóng điều chế vmvà Vˆcrlà biên độ đỉnh của mỗi sóng mang.

Điều chế dịch mức có ba loại phổ biến như sau:

51

(b) Sắp xếp các pha xen kẽ đối nhau (Alternative Phase Opposite Disposition – APOD): Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 0

180 .

(c) Sắp xếp các pha ngược nhau (Phase Opposite Disposition – POD): Các sóng mang trên trục zero sẽ cùng pha còn các sóng mang cùng nằm dưới trục zero sẽ bị dịch pha

0

180 .

Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí sóng mang cùng pha (IPD) cho độ sóng hài nhỏ nhất so trong ba phương pháp trên, tài liệu [4,7].

(a) Bố trí cùng pha (IPD)

(b) Sắp xếp các pha xen kẽ đối nhau (APOD)

(c) Sắp xếp các pha ngược nhau (POD) Hình 3.6 Điều chế đa sóng mang dịch mức [6]

52

Hình 3.7 PWM dịch mức với nghịch lưu 7 cấp cầu H nối tầng [4] (mf 15, ma 0.8, fm60Hz, fcr 900Hz)

3.3.3 So sánh giữa phương pháp PWM dịch pha và dịch mức

Khi hoạt động ở cùng một tần số chuyển mạch, một so sánh ngắn ngọn được thực hiện để đánh giá giữa hai phương pháp này nhằm mục đích lựa chọn phương pháp tốt nhất sử dụng trong luận văn này.

Một trong những nhược điểm của việc sử dụng LSMM là tồn tại khoảng thời gian khi không có chuyển mạch xảy ra trong một vài cầu trên một pha. Điều này có nghĩa rằng để phân phối đồng đều chuyển mạch và tổn thất truyền dẫn thì mô hình chuyển mạch phải được xoay vòng giữa các cầu H. Điều này được thực hiện để duy trì sự cân bằng giữa các nguồn năng lượng cung cấp cho bộ biến đổi. Mặt khác, trong một hệ thống sử dụng PSMM, điện áp đầu ra trên mỗi cầu H gần như giống hệt nhau ngoại trừ một độ dịch pha nhỏ giữa chúng. Điều này cũng có nghĩa là tất các thiết bị công

53

suất hoạt động ở cùng tần số chuyển mạch và thời gian dẫn. Do đó một phương pháp điều khiển xoay vòng chuyển mạch là không cần thiết do đó đơn giản hóa việc điều khiển điện tử công suất. Tóm lại, thời gian dẫn của thiết bị và tần số chuyển mạch có thể được giữ giống nhau cho tất cả các thiết bị trong PSMM nhưng trong LSMM thì khác nhau. Tuy nhiên LSMM đòi hỏi phải xoay vòng mô hình chuyển mạch. Với THD ở điện áp dây thì LSMM tốt hơn PSMM.

Hình 3.8 Thành phần sóng hài tương ứng của hai phương pháp [4] Bảng 3.1 So sánh giữa phương pháp PWM dịch pha và dịch mức

So sánh Điều chế dịch pha Điều chế dịch mức

(IPD) Tần số chuyển mạch

thiết bị

Giống nhau cho tất cả

các thiết bị Khác nhau

Thời gian dẫn của thiết bị

Giống nhau cho tất cả

các thiết bị Khác nhau

Xoay vòng mô hình

chuyển mạch Không yêu cầu Yêu cầu

54 3.4 Nhận xét

Nhận thấy phương pháp PSMM tuy có THD lớn hơn nhưng phương pháp điều chế khá đơn giản và đồng bộ cho các thiết bị, trong khi thuật toán điều khiển đối với phương pháp điều chế LSMM lại khá phức tạp và không có sự đồng bộ thiết bị. Vì vậy mà trong thực tế phương pháp điều khiển PSMM lại được dùng nhiều hơn, nên trong luận văn này tác giả lựa chọn phương pháp điều chế PSMM cho các ứng dụng trong luận văn.

55

CHƯƠNG 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ

4.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ

Các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, chúng được dùng để cung cấp động lực cho phần lớn các cơ cấu sản xuất. Trong thế kỷ XIX đã lần lượt xuất hiện truyền động điện động cơ một chiều và động cơ xoay chiều. Trong nhiều năm của thế kỷ XX khoảng 80% các hệ thống truyền động điện không yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng động cơ xoay chiều, còn khoảng 20% truyền động điện có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ dùng động cơ một chiều. Điều này hầu như đã được thế giới coi như là một quy luật phân bổ hiển nhiên. Phương án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù đã được phát minh và đưa vào ứng dụng khá sớm, nhưng chất lượng của nó khó bề sánh kịp với hệ thống truyền động điện một chiều. Mãi tới thập kỷ 70 của thế kỷ XX, khi thế giới bị cuốn hút vào nguy cơ khan hiếm dầu mỏ, các nước công nghiệp tiên tiến mới tập trung vào việc nghiên cứu hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều hiệu suất cao, hy vọng coi đó là con đường tiết kiệm nguồn năng lượng. Qua hơn 10 năm cố gắng, đến thập kỷ 80 hướng nghiên cứu ấy đã đạt được thành tựu lớn, và đã được coi là bước đột phá thần kỳ trong truyền động xoay chiều, và từ đó tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ngày một tăng lên. Trong các ngành công nghiệp đã có trào lưu thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều.

Động cơ xoay chiều có thể phân làm hai nhóm: động cơ xoay chiều không đồng bộ và động cơ xoay chiều đồng bộ. Trong động cơ xoay chiều không đồng bộ có động cơ roto lồng sóc và động cơ roto dây quấn. Trong động cơ xoay chiều đồng bộ có động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (thường loại cực ẩn) và động cơ kích từ bằng nam

56

châm điện (cực lồi). Mỗi loại động cơ đều có những ưu điểm và nhược điểm nhất định và các phương pháp điều chỉnh tốc độ cũng không hoàn toàn giống nhau.

Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ DC như không đòi hỏi phải bảo trì thường xuyên, độ tin cậy cao, khối lượng và quán tính nhỏ hơn, giá thành rẻ hơn và đặc biệt có thể làm việc trong môi trường độc hại hay nơi có khả năng cháy nổ cao…Do đó động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong cuộc sống hơn so với các động cơ khác. Tuy nhiên, trước đây động cơ không