2.8.1 Nghịch lưu áp là gì?
Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý. Nguồn áp vẫn là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế. Hơn nữa điện áp ra của nghịch lưu áp có thể điều chế theo phương pháp khác nhau để có thể giảm được sóng điều hòa bậc cao.
Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất của các van động lực điều khiển hoàn toàn còn nhỏ. Hơn nữa việc sử dụng nghịch lưu áp bằng tiristo khiến cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp.
Ngày nay công suất của các van động lực IGBT, GTO, MOSFET càng trở nên lớn và có kích thước gọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hóa trong các bộ biến tần công nghiệp. Trong cả hai phương pháp mô phỏng FOC và V/f đều sử dụng nghịch lưu áp cầu 3 pha để điều chế điện áp cấp vào động cơ với 2 phương pháp điều chế khác nhau là điều chế vector không gian (SVPWM) và điều chế độ rộng xung (SPWM)
2.8.2 Nguyên lí làm việc của bộ nghịch lưu áp cầu 3 pha
27
Giả thiết các khóa đóng cắt lý tưởng, nguồn có nội trở nhỏ và dẫn điện 2 chiều.
Các khóa S1-6 đóng ngắt theo quy luật như hình sau:
Hình 2-16: Luật đóng ngắt các khóa bán dẫn
Các diode D1-6 có chức năng trả năng lượng về nguồn, đảm bảo nguồn cấp là nguồn áp đồng thời tiếp năng lượng phản kháng từ tải.
Các cặp khóa đối nghịch nhau trong bộ nghịch lưu:
S1+S4=1 S3+S6=1 S5+S2=1
28 Dạng điện áp ngõ ra:
Điện áp pha ngõ ra Điện áp dây ngõ ra
𝑈𝐴𝑛 =𝑈𝐴𝐵 − 𝑈𝐶𝐴 3 = (2𝑆1− 𝑆3− 𝑆5) 𝑈𝑑 3 𝑈𝐵𝑛 =𝑈𝐵𝐶 − 𝑈𝐴𝐵 3 = (2𝑆3− 𝑆5− 𝑆1) 𝑈𝑑 3 𝑈𝐶𝑛 =𝑈𝐶𝐴− 𝑈𝐵𝐶 3 = (2𝑆5− 𝑆1− 𝑆3) 𝑈𝑑 3 𝑈𝐴𝐵 = 𝑈𝐴0− 𝑈𝐵0 = (𝑆1− 𝑆3)𝑈𝑑 𝑈𝐵𝐶 = 𝑈𝐵0− 𝑈𝐶0 = (𝑆3− 𝑆5)𝑈𝑑 𝑈𝐶𝐴 = 𝑈𝐶0− 𝑈𝐴0 = (𝑆5− 𝑆1)𝑈𝑑
29
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ, BỘ ĐIỀU KHIỂN V/F
3.1 Mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha 3.1.1 Tính toán các thông số động cơ 3.1.1 Tính toán các thông số động cơ
Trên cơ sở mô hình động cơ thực tế, ta sẽ lần lượt thực hiện các thí nghiệm (thí nghiệm DC đo điện trở Stator, thí nghiệm không tải và thí nghiệm ngắn mạch khóa rotor) để thu thập các số liệu nhằm tính toán cho các thông số động cơ.
Điện áp định mức: 380V (Y), 220V (∆) Dòng điện định mức: 1.16A (Y), 2A (∆)
Công suất định mức: 370W Tốc độ đinh mức: 2670 rpm Tần số: 50Hz
Momen quán tính cơ (J): 0.01 kg/m2 Điện trở stator Rs: 25.26Ω
Bảng 4: Số liệu đo thí nghiệm không tải
V12= 380,1 V23= 379,9 V31= 380,1 𝑉𝑑 =380,03
Id1=0.658 Id2=0.666 Id3=0.672 𝐼𝑑 =0.665
P1=31 P2=23 P3=29 𝑃𝛴 =83
30
Bảng 5: Số liệu đo thí nghiệm ngắn mạch
V12=115,5 V23=113,6 V31=115,0 𝑉𝑑 =114,7
Id1=1,163 Id2=1,132 Id3=1,101 𝐼𝑑 =1,132
P1=65 P2=62 P3=60 𝑃𝛴 =187
Tính toán các thông số tương đương của mạch quy về stator:
U0=380V, I0=0,665A, R1=25,26 Ω, P0=83
3 = 27,67
Unm= 114,7V, Inm=1,132A, Pnm=187
3 = 62,33
Thí nghiệm không tải: 𝑍0 = 𝑈𝑜
√3𝐼0 = 380 √3.0,665 = 392,91Ω 𝑅0 = 𝑃0 3𝐼02 = 20,857Ω ==> 𝑋0 = √𝑍0 2− 𝑅02 = 329,25Ω Thí nghiệm ngắn mạch: 𝑍𝑛𝑚 = 𝑈𝑛𝑚 √3∗𝐼𝑛𝑚 = 114,7 √3.1,132 = 58,5Ω 𝑅𝑛𝑚 = 𝑃𝑛𝑚 3. 𝐼𝑛𝑚2 = 16,21Ω ==> 𝑋𝑛𝑚 = √𝑍𝑛𝑚 2− 𝑅𝑛𝑚2 = 56,2Ω X1=X2=Xnm/2=28,1 Ω Xm=X0-X1=329,25-28,1=301,55 Ω R=|𝑅𝑛𝑚− 𝑅1| = 9,05Ω 𝑅2′ = 𝑅.(𝑋2+𝑋𝑚)2 𝑋𝑚2 = 10.81Ω
31 𝐿𝑚 = 𝑋𝑚 2𝜋𝑓 =301,55 100𝜋 = 0,95𝐻 , {𝐿𝑙1 = 𝑋1 100𝜋 = 0,0894𝐻 𝐿𝑟2 = 𝑋2 100𝜋 = 0,0894𝐻
Bảng 6: Các thông số tính toán được (quy về stator)
Điện trở stator (Rs) 25.26 Ω
Điện trở rotor (Rr) 10,81 Ω
Điện cảm tản stator (Lls) 0.0894 H Điện cảm tản rotor (Llr) 0.0894 H
Điện cảm từ hóa (Lm) 0.95 H
3.1.2 Mô phỏng động cơ không đồng bộ trên Simulink
Hình 3-2: Sơ đồ mô phỏng ĐCKĐB 3pha trên Simulink
32
33
3.2 Mô phỏng bộ điều khiển động cơ theo phương pháp V/f 3.2.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp V/f 3.2.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp V/f
Phương pháp V/F được sử dụng hầu hết trong các biến tần hiện nay. Tốc độ của ĐCKĐB tỉ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp. Do đó, nếu thay đổi tần số của nguồn cung cấp cho động cơ thì cũng sẽ thay đổi được tốc độ đồng bộ, và tương ứng là tốc độ của động cơ.
Hình 3-5: Một sơ đồ điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp V/f vòng kín
Tuy nhiên, nếu chỉ thay đổi tần số mà vẫn giữ nguyên biên độ nguồn áp cấp cho động cơ sẽ làm cho mạch từ của động cơ bị bão hòa. Vì vậy, khi giảm tần số nguồn cung cấp cho động cơ nhỏ hơn tần số định mức thường đòi hỏi phải giảm điện áp V cung cấp cho động cơ sao cho từ thông trong khe hở không khí được giữ không đổi.
Phương pháp E/f
Ta có công thức:
𝑎 = 𝑓
𝑓𝑑𝑚
Với f là tần số của động cơ và fdm là tần số định mức
Giả sử động cơ hoạt động dưới tần số định mức (a<1). Từ thông động cơ được giữ ở giá trị không đổi. Do từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng từ hóa của động cơ, nên từ thông được giữ không đổi khi dòng từ hóa được giữ không đổi tại mọi điểm làm việc của động cơ.
34
Phương trình dòng từ hóa tại điểm làm việc định mức:
𝐼𝑚 =𝐸đ𝑚 𝑓đ𝑚 ×
1 2𝜋𝐿𝑚
Với Lm là điện cảm mạch từ hóa: Tại tần số làm việc f:
𝐼𝑚 = 𝐸đ𝑚 𝑎 × 𝑓đ𝑚×
1 2𝜋𝐿𝑚
Từ 2 phương trình trên suy ra điều kiện để dòng từ hóa không thay đổi:
𝐸 𝑎 = 𝐸đ𝑚 => 𝐸 𝑓 = 𝐸đ𝑚 𝑓đ𝑚 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
Như vậy thì từ thông động cơ sẽ đc giữ k đổi khi ta có tỉ lệ 𝐸
𝑓 được giữ không đổi.
Phương pháp V/f
Tuy nhiên trong thực tế, việc giữ từ thông không đổi đòi hỏi mạch điều khiển rất phức tạp. Nếu bỏ qua sụt áp trên điện trở và điện kháng tản mạch stator, ta có thể xem như U ≈ E. Khi đó nguyên tắc điều khiển E/f=const được thay bằng phương pháp V/f =const.
Trong phương pháp V/f=const (gọi ngắn là V/f), như đã trình bày ở trên thì tỉ số V/f được giữ không đổi và bằng giá trị tỉ số này ở định mức.Cần lưu ý là khi moment tải tăng , dòng động cơ tăng làm gia tăng sụt áp trên điện trở Stator dẩn đến E giảm, có nghĩa là từ thông động cơ giảm.Do đó động cơ không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi.
Công thức momen định mức của động cơ:
M = 3 𝜔đ𝑏 × [ ⌈ ⌈ 𝑉đ𝑚 2 ×𝑅𝑠2′ (𝑅1+𝑅2 ′ 𝑠 ) 2 + (𝑋1+ 𝑋2′)2 ] ⌉ ⌉ Và momen cực đại ở chế độ định mức:
35
𝑀𝑚𝑎𝑥 = 3
2𝜔đ𝑏× [
𝑉đ𝑚2
𝑅1± √𝑅1 2+ (𝑋1+ 𝑋2′)2 ]
Khi ta thay giá trị định mức bằng giá trị đó nhân với trị số a thì ta sẽ có được công thức momen của động cơ ở tần số f khác định mức:
M = 3 𝜔đ𝑏 × [ ⌈ ⌈ 𝑉đ𝑚 2 ×𝑅𝑎𝑠2′ (𝑅𝑎1+𝑅2 ′ 𝑎𝑠) 2 + (𝑋1+ 𝑋2′)2 ] ⌉ ⌉ , 𝑎 < 1 Và momen cực đại ở tần số f khác định mức: 𝑀𝑚𝑎𝑥 = 3 2𝜔đ𝑏 × [ ⌈ ⌈ ⌈ ⌈ 𝑉đ𝑚2 𝑅1 𝑎 ± √( 𝑅1 𝑎) 2 + (𝑋1+ 𝑋2′)2 ] ⌉ ⌉ ⌉ ⌉ , 𝑎 < 1
Dựa theo công thức trên ta thấy, các giá trị X1 và X2’ phụ thuộc vào tần số, trong khi R1 lại là hằng số. Như vậy, khi hoạt động ở tần số cao, giá trị (X1+X2’)>> R1/a, sụt áp trên R1 rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến từ thông được giữ gần như không đổi. Moment cực đại của động cơ gần như không đổi.
Tuy nhiên, khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R1/a sẽ tương đối lớn so với giá trị của (X1+X2’), dẫn đến sụt áp nhiều ở điện trở stator khi moment tải lớn. Điều này làm cho E bị giảm và dẫn đến suy giảm từ thông và moment cực đại.
Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp. Ta sẽ cung cấp them cho động cơ một điện áp Uo để cung cấp cho động cơ từ thông định mức khi f=0. Từ đó ta có quan hệ như sau:
36
Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U cấp cho động cơ bằng Uđm tại f=fdm. Khi a>1 (f>fđm), Điện áp được giữ không đổi và bằng định mức. Khi đó động cơ hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông.
Khi đó momen và momen cực đại của động cơ tại tần số f cung cấp sẽ là:
M = 3 𝜔đ𝑏 × [ ⌈ ⌈ 𝑉đ𝑚 2 ×𝑅𝑎𝑠2′ (𝑅1+𝑅2 ′ 𝑠 ) 2 + 𝑎2(𝑋1+ 𝑋2′)2 ] ⌉ ⌉ , 𝑎 > 1 𝑀𝑚𝑎𝑥 = 3 2𝜔đ𝑏× [ 𝑉đ𝑚2 𝑅1± √𝑅1 2+ 𝑎2(𝑋1+ 𝑋2′)2 ] , 𝑎 > 1
37
3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển V/f
Mô phỏng điều khiển V/f vòng hở
Đối với điều khiển V/F vòng hở giá trị đặt đầu vào sẽ là tần số, không có vòng phản hồi giá trị. Tín hiệu điện áp đặt 3 pha sẽ có dạng như sau:
Va*=Vref.sin(wt) Vb*=Vref.sin(wt-2pi/3) Vc*=Vref.sin(wt+2pi/3) Với { 𝑉𝑟𝑒𝑓 = 𝑓∗ 𝑓đ𝑚 𝑤𝑡 = ∫ 2𝑝𝑖. 𝑓∗
Hình 3-7: Sơ đồ khối tính toán các giá trị điện áp đặt của pp V/f vòng hở
_Sau bước tính toán tín hiệu điện áp Va-b-c* được đưa qua bộ điều chế SPWM để tạo thành 6 tín hiệu xung vuông đưa vào mạch lái AC tạo thành điện áp thực cấp cho động cơ.
38
Hình 3-8: Sơ đồ mạch mô phỏng điều khiển V/f vòng hở
Mô phỏng điều khiển V/f vòng kín
Đối với điều khiển V/F vòng kín giá trị đặt đầu vào sẽ là tốc độ, qua vòng phản hồi tốc độ đến bộ điều khiển PI. Đầu ra bộ điều khiển sẽ là trị đặt tần số, sau đó qua một khâu bù tần số nữa để lấy trị đặt chính xác.
Sau đó thực hiện tính toán tín hiệu điện áp đặt 3 pha như ở điều khiển vòng hở: Va*=Vref.sin(wt) Vb*=Vref.sin(wt-2pi/3) Vc*=Vref.sin(wt+2pi/3) Với { 𝑉𝑟𝑒𝑓 = 𝑓∗ 𝑓đ𝑚 𝑤𝑡 = ∫ 2𝑝𝑖. 𝑓∗
39
Hình 3-9: Sơ đồ khối tính toán các giá trị điện áp đặt của pp V/f vòng kín
_Sau bước tính toán tín hiệu điện áp Va-b-c* được đưa qua bộ điều chế SPWM để tạo thành 6 tín hiệu xung vuông đưa vào mạch lái AC tạo thành điện áp thực cấp cho động cơ.
40
Hình 3-11: Sơ đồ mô phỏng bộ điều chế độ rộng xung SPWM dùng cho điều khiển V/f
41
3.2.3 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển V/f
Kết quả mô phỏng bộ điều khiển V/f vòng hở
Do điều khiển V/f có cấu trúc đơn giản, không nhiều khâu điều chỉnh như mô phỏng FOC. Nên khi chạy theo mô hình tham chiếu tốc độ thay đổi liên tục như mô phỏng FOC thì đáp ứng đầu ra của bộ V/F sẽ kém hơn. Do đó điều khiển V/f thường dùng để điều khiển động cơ với tốc độ không đổi hoặc thay đổi ít, ứng dụng trong các dây chuyển sản xuất hoạt động theo một quy trình với các thông số định sẵn. Vì vậy trong mô phỏng V/f ta sẽ đặt dải tín hiệu tham chiếu tăng giảm nhưng trong những khoảng thời gian dài để xem đáp ứng tốc độ của động cơ khi hoạt động không tải và mang tải định mức. Đầu tiên là khi hoạt động không tải
Hình 3-13: Đáp ứng tốc độ của động cơ so với tham chiếu và momen Te của động cơ ở không tải
42
Ở điều kiện hoạt động không tải tốc độ cao động cơ đáp ứng chậm nhưng hoạt động ổn định ở những dải tốc độ không đổi.Tăng tốc từ 01000RPM trong tầm 1.2s. Đáp ứng giá trị tốc độ khớp với đường đặc tính tham chiếu.
Momen điện từ Te bị ảnh hưởng bới sóng hài, trong các khoảng tốc độ thay đổi momen cũng bị vọt lố nhưng không đến mức gây hại cho hệ thống do vọt lố không quá giá trị tải định mức.
Hình 3-14: Dòng điện 3 pha stator
Dòng điện 3 pha khi hoạt động không tải bị ảnh hưởng bởi sóng hài. Trị hiệu dụng dòng điện 0.645 A.
Trường hợp tiếp theo ta cấp tải cho động cơ với giá trị tải định mức. Trong 2s đầu động cơ hoạt động không tải, 8s sau sẽ mang tải.
43
Hình 3-15: Tốc độ đáp ứng và momen của động cơ khi mang tải
Cho động cơ chạy không tải trong 2s đầu, sau đó cấp tải với giá trị định mức trong 8s còn lại. Ban đầu hoạt động không tải đáp ứng động cơ giống như ở tình huống đầu tiên. Ở thời điểm mang tải tốc độ động cơ giảm nhiều( từ 1000RPM xuống 930RPM, hệ số trượt s tại thời điểm mang tải định mức s=0.07), nhờ có khâu điều chế lại tỉ số V/f khi động cơ hoạt động ở chế độ mang tải nên đã ổn định lại không để tình trạng bị sụt tốc quá lớn, dải tốc độ của động cơ về sau không đáp ứng sát với giá trị tham chiếu nhưng vẫn hoạt động ổn với đặc tính tăng giảm, không bị hiện tượng sụt tốc lệch quỹ đạo tham chiếu.
44
Đáp ứng momen điện từ Te khớp với thời gian động cơ bắt đầu mang tải (0N.m trong 2s đầu, 1.325N.m trong 8s còn lại. vọt lố lớn xuất hiện ở những khoảng thời gian tốc độ động cơ tăng hoặc giảm mạnh (thời điểm 3s và 8s).
Hình 3-17: Dòng điện 3 pha stator
Trị hiệu dụng dòng mang tải là 1.032 A.
Kết quả mô phỏng bộ điều khiển V/f vòng kín
Tương tự như ở mô phỏng bộ điều khiển V/f vòng hở, ta cũng khảo sát động cơ chạy ở 2 tình huống là không tải và mang tải định mức, hoạt động với tải định mức sau 2s đầu chạy không tải. Đường tham chiếu tốc độ như ở bộ điều khiển vòng hở.Đầu tiên khảo sát động cơ chạy không tải, ta thu được kết quả sau:
45
Hình 3-18: Đáp ứng tốc độ động cơ hoạt động không tải
Đáp ứng tốc độ ở bộ điều khiển vòng kín giống với bộ điều khiển vòng hở tuy nhiên do tốc độ đặt được lấy giá trị phản hồi sau đó qua bộ điều khiển PID nên đáp ứng đầu ra tốc độ theo sát với tín hiệu tham chiếu, không vọt lố.
Tuy nhiên vọt lố lớn xuất hiện ở momen Te của động cơ những giai đoạn tốc độ thay đổi cũng là do ảnh hưởng đầu ra bộ điều khiển PID.
46 Tiếp đến ta sẽ cấp tải để động cơ hoạt động
Hình 3-20: Đáp ứng tốc độ và momen của động cơ khi hoạt động với tải
Khi nhìn vào đáp ứng tốc độ, ta hầu như không nhìn thấy vị trí mà động cơ bị tải tác động như ở bộ V/f vòng hở, thực chất vẫn có tải ở thời điểm 2.5s nhưng hệ thống bị ảnh hưởng rất ít, do có khâu phản hồi tốc độ và qua bộ điều khiển PID nên đáp ứng đầu ra của bộ điều khiển chính xác hơn nhiều so với mạch V/f vòng hở chỉ có mỗi trị đặt tần số.
Khi mang tải momen ít bị ảnh hưởng bởi sóng hài hơn, tuy nhiên vọt lố vẫn còn xuất hiện ở những đoạn động cơ tăng tốc và do tốc độ thay đổi quá nhanh dẫn đến vọt lố diễn ra tức thời. Trong bộ điều khiển V/f theo nguyên tắc chúng ta