C gI I I: Nghiờn cứu hệ truyền động biến tần 4Q Động cơ khụng đồng
3.2.1 Nhiệm vụ
Chỉnh lưu PWM phải đạt được 3 yờu cầu là:
- Trao đổi được năng lượng giữa động cơ và lưới.
- Tăng hệ số cụng suất, cú thể điều khiển hệ số cụng suất cos φ = 1. - Giảm súng điều hoà bậc cao đi vào lưới để cải thiện chất lượng
điện năng, tạo ra súng điều hoà nhỏ nhất ( dạng sin dũng vào). Cấu trỳc cơ bản chỉnh lưu PWM
UA IA
UB IB
UC IC
C
Tải
Hỡnh 3.5: Cấu trỳc mạch chỉnh lưu PWM thường gặp.
Cấu trỳc phổ biến này cú cỏc ưu điểm là sử dụng cỏc module ba pha, số lượng van nhỏ nờn cú thể giảm giỏ thành, năng lượng cú khả năng chảy hai chiều.
Cấu trỳc này cú triển vọng nờn đang được phỏt triển. Trong hệ thống phõn bố năng lượng một chiều hay biến đổi xoay chiều/ một chiều/ xoay chiều, năng lượng xoay chiều đầu tiờn được biến đổi sang một chiều nhờ vào chỉnh lưu ba pha PWM. Nú cho hệ số cụng suất bằng một và dũng điện chứa ớt thành phần súng hài bậc cao. Cỏc bộ biến đổi này nối với đường truyền một
chiều sẽ mang lại cho tải những chuyển đổi mong muốn như thay đổi tốc độ truyền động động cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ nam chõm vĩnh cửu, bộ biến đổi từ một chiều sang một chiều, hoạt động đa truyền động,…
Hơn nữa, biến đổi xoay chiều/ một chiều/ xoay chiều sẽ mang lại một số điểm sau:
- Động cơ cú thể hoạt động ở tốc độ cao hơn mà khụng cần giảm từ trường ( bởi sự duy trỡ điện ỏp đường truyền một chiều trờn điện ỏp đỉnh của nguồn cấp).
- Về lý thuyết, giảm được 1/3 điện ỏp so sỏnh với cấu hỡnh quy ước do điều khiển đồng thời chỉnh lưu và nghịch lưu.
- Phản ứng của bộ điều khiển điện ỏp cú thể được cải tiến bởi tớn hiệu đưa đến từ tải dẫn đến giảm đến mức tối thiểu điện dung 1 chiều, trong khi việc duy trỡ được điện ỏp một chiều dưới giới hạn cho phộp thay đổi tải.
UA IA
UB IB C
M
UC IC
Hỡnh 3.7: Hệ thống phõn phối điện năng một chiều.
Hỡnh 3.7: Hệ thống phõn phối điện năng một chiều.
3.2.3. Cấu trỳc mạch lực và hoạt động của chỉnh lưu PWM a. Cấu trỳc mạch lực của chỉnh lưu PWM
Phớa xoay chiều Bộ biến đổi cầu Phớa một chiều
Tải
a)
Hỡnh 3.8a: Sơ đồ thay thế đơn giản của chỉnh lưu 3 pha PWM cho cụng suất chảy theo cả hai chiều
2 2
b)
Hỡnh 3.8b: Sơ đồ thay thế điện của một nhỏnh
Hỡnh 3.8 (b) biểu diễn một pha của mạch chỉnh lưu giới thiệu ở hỡnh
3.8 (a). L và R là điện cảm của lưới, UL là điện ỏp lưới và US là điện ỏp bộ
chuyển đổi cú thể điều khiển được từ phớa một chiều. b. Điều kiện để chỉnh lưu PWM hoạt động:
- Điều kiện hoạt động của chỉnh lưu PWM: Vdcmin>VCL tự nhiờn
(thường ớt nhất là 20%).
- Cú cuộn cảm đầu vào để tạo kho từ trao đổi năng lượng với lưới. - Điều khiển chỉnh lưu theo luật điều khiển PWM
Quỏ trỡnh làm việc của chỉnh lưu PWM yờu cầu một giỏ trị điện ỏp một chiều nhỏ nhất. Thụng thường, cú thể xỏc định bằng điện ỏp dõy lớn nhất:
Vdcmin>VLN(rms)* 3 * 2 = 2,45* VLN(rms) (3.6)
Ta cú biểu thức điện ỏp
udc> (E m + (ωLi Ld ) ) (3.7)
Biểu thức trờn chỉ ra mối quan hệ giữa điện ỏp nguồn và điện ỏp một chiều đầu ra, dũng điện (tải) và cảm khỏng.
Cuộn cảm phải được lựa chọn kỹ bởi cảm khỏng thấp sẽ làm cho dũng điện nhấp nhụ lớn và làm cho việc thiết kế phụ thuộc nhiều vào trở khỏng đường dõy. Cảm khỏng cú giỏ trị lớn làm giảm độ nhấp nhụ dũng điện, nhưng
u − Em
LD
đồng thời cũng làm giảm giới hạn làm việc của chỉnh lưu. Điện ỏp rơi trờn cuộn cảm cú ảnh hưởng tới dũng điện nguồn. Điện ỏp rơi này được điều chỉnh bởi điện ỏp đầu vào chỉnh lưu PWM nhưng giỏ trị lớn nhất được giới hạn bởi điện ỏp 1 chiều. Kết quả là, dũng điện lớn(cụng suất lớn) qua cảm khỏng cũng cần điện ỏp một chiều lớn hay cảm khỏng nhỏ. Vỡ vậy, sau khi biến đổi phương trỡnh (1.6) độ tự cảm lớn nhất xỏc định:
2 2
dc
L< ω.i . (3.8)
c. Giản đồ vectơ
Cuộn cảm được nối giữa đầu vào chỉnh lưu và lưới đúng vai trũ là bộ tớch phõn trong mạch. Nú mang đặc tớnh nguồn dũng của mạch đầu vào và
cung cấp đặc trưng tăng thế của bộ biến đổi. Dũng điện lưới iL được điều
khiển bởi điện ỏp rơi trờn điện cảm L nối giữa 2 nguồn ỏp (lưới và bộ biến
đổi). Nú cú nghĩa rằng điện ỏp của cuộn cảm uL tương đương với độ chờnh
lệch giữa điện ỏp lưới và điện ỏp bộ biến đổi. Khi điều khiển gúc pha ε và biờn độ của điện ỏp bộ biến đổi, tức là đó điều khiển giỏn tiếp pha và biờn độ của dũng điện lưới. Theo cỏch này, giỏ trị trung bỡnh và dấu của dũng điện 1 chiều là đối tượng để điều khiển tỷ lệ với cụng suất tỏc dụng qua bộ biến đổi. Cụng suất phản khỏng cú thể được điều khiển một cỏch độc lập với sự thay
đổi của thành phần dũng điều hoà cơ bản IL đối với điện ỏp UL.
Hỡnh 3.9 giới thiệu đồ thị vộctơ với cỏc trường hợp bộ chỉnh lưu thụng thường và bộ chỉnh lưu PWM ở hai chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu. Như vậy bộ chỉnh lưu PWM cho phộp năng lượng chảy theo 2 chiều và cú hệ số cụng
suất = ±1. Hỡnh vẽ cho thấy vector điện ỏp us trong quỏ trỡnh tỏi sinh cao hơn
(lờn đến 3%) so với chế độ chỉnh lưu. Nú cú nghĩa là 2 chế độ này là khụng đối xứng.
(a) (b)
(c)
Hỡnh 3.9: Giản đồ pha cho chỉnh lưu PWM. a. Đồ thị vộctơ bộ chỉnh lưu thụng thường.
b. Đồ thị vộctơ bộ chỉnh lưu PWM với hệ số cụng suất bằng 1. c. Đồ thị vộctơ bộ chỉnh lưu PWM hoạt động ở chế độ nghịch lưu
với hệ số cụng suất = 1.
3.2.3. Cỏc phương phỏp điều khiển chỉnh lưu PWM
Cỏc nguyờn tắc điều khiển của chỉnh lưu PWM được xõy dựng dựa trờn hai đại lượng vectơ cơ bản : điện ỏp và từ thụng ảo. Hiện nay, cú hai phương phỏp điều khiển: điều khiển dựa trờn điện ỏp và điều khiển dựa trờn từ thụng ảo. Cấu trỳc điều khiển chỉnh lưu PWM được minh hoạ trờn hỡnh 3.10.
Điều khiển dựa trờn điện ỏp là ước lượng điện ỏp lưới và sẽ điều khiển bằng dũng điện hay cụng suất. Trước hết cần ước lượng điện ỏp lưới bằng cỏch cộng điện ỏp đặt đầu vào bộ chỉnh lưu với điện ỏp rơi trờn cuộn cảm. Sau đú, dựa trờn điện ỏp lưới đó ước lượng sẽ được tiến hành điều khiển bằng dũng điện thỡ gọi là phương phỏp VOC (Voltage Orientend Control) hay theo cụng suất thỡ gọi là phương phỏp DPC (Direct Power Control).
Cỏc phƣơng phỏp điều khiển chỉnh lƣu PWM Điều khiển theo vộc tơ từ thụng ảo Điều khiển theo vộc tơ điện ỏp VFOC VF-DPC VOC DPC
Hỡnh 3.10: Cỏc phương phỏp điều khiển chỉnh lưu PWM
Cấu trỳc điều khiển VOC sử dụng mạch vũng điều khiển dũng điện là cấu trỳc đó được phỏt triển và rất phổ biến. Cấu trỳc này dựa trờn việc chuyển
đổi giữa hệ trục toạ độ cố định α − β ,...và hệ trục toạ độ quay đồng bộ d -
q. Phương phỏp này đảm bảo đỏp ứng tức thời nhanh và hiệu suất tĩnh cao thụng qua cỏc mạch vũng điều khiển dũng điện bờn trong .
Cấu trỳc điều khiển DPC dựa trờn cỏc mạch vũng điều khiển cụng suất tỏc dụng và cụng suất phản khỏng tức thời. Trong cấu trỳc DPC, khụng cú mạch vũng điều khiển dũng điện và khụng cú khối điều chế PWM vỡ cỏc trạng thỏi chuyển mạch của bộ biến đổi được chọn bởi bảng chuyển mạch dựa trờn sự sai lệch giữa giỏ trị ước lượng và giỏ trị điều khiển của cụng suất tỏc dụng và cụng suất phản khỏng. Do đú, một điểm quan trọng khi thực hiện cấu trỳc DPC là phải ước lượng nhanh và chớnh xỏc cụng suất tỏc dụng và cụng suất phản khỏng.
Điều khiển dựa trờn từ thụng ảo là phương phỏp điều khiển cần phải ước lượng từ thụng ảo của lưới điện và ỏp dụng phương phỏp điều khiển từ thụng stator của động cơ khụng đồng bộ cho lưới điện. Nếu điều khiển bằng mạch vũng dũng điện thỡ gọi là phương phỏp VFOC (Voltage Flux Oriented Control), cũn khi điều khiển dựa theo cụng suất thỡ được gọi là phương phỏp
VF-DPC. VFOC tương tự như VOC, cũn VF-DPC cũng tương tự như DPC, chỳng chỉ khỏc nhau ở chỗ điều khiển dựa trờn điện ỏp hay dựa trờn từ thụng ảo.
Hệ điều khiển biến tần dựng chỉnh lưu PWM với động xoay chiều cú cỏc phương ỏn được trỡnh bày trờn hỡnh 3.11.
CL NL
ĐC
DPC DTC
VOC FOC
Hỡnh 3.11: Hệ truyền động động cơ xoay chiều - biến tần dựng chỉnh lưu PWM với cỏc phương phỏp điều khiển
3.3. Phõn tớch hệ truyền động biến tần – Động cơ khụng đồng bộ choCabin thang mỏy Cabin thang mỏy
3.3.1. Khối mạch lực:
Mạch lực bao gồm một biến tần 4 gúc phần tư (Khối chỉnh lưu CL tạo điện ỏp cao một chiều, khối nghịch lưu NL tạo điện ỏp ba pha xoay chiều với tần số mong muốn). Chỉnh lưu tớch cực PWM cú khả năng tạo ra điện ỏp một chiều đầu ra cao đỏp ứng được yờu cầu điện ỏp nguồn của biến tần trong hệ thống truyền động biến tần – Động cơ khụng đồng bộ rotor lồng súc, ngoài ra nú cũn cú một số ưu điểm khỏc như: đảm bảo trao đổi cụng suất hai chiều giữa nguồn và tải, cho phộp động cơ làm việc được ở chế độ hóm tỏi sinh; dũng qua lưới cú dạng rất gần hỡnh sin; cú thể điều khiển để hệ số cụng suất
uL
Hỡnh 3.12 là sơ đồ nguyờn lý phần mạch lực của hệ thống truyền động. Sơ đồ gồm bộ điện cảm nguồn L; hai sơ đồ cầu ba pha bằng cỏc IGBT làm nhiệm vụ chỉnh lưu (CLPWM) và nghịch lưu (NL); tụ điện C vừa là phần tử cơ bản trong sơ đồ chỉnh lưu PWM, vừa là phần tử lọc; động cơ ASM.
uL
ASM
Hỡnh 3.12: Sơ đồ nguyờn lý phần lực truyền động biến tần động cơ khụng đồng bộ rotor lồng súc
a. Điều khiển chỉnh lưu PWM:
Cú nhiều phương phỏp điều khiển bộ chỉnh lưu tớch cực PWM, mỗi phương phỏp điều khiển cú những ưu nhược điểm riờng. Cỏc phương phỏp điều khiển khỏc nhau cú sự khỏc nhau về đại lượng điều khiển cũng như cấu trỳc cụ thể của hệ thống điều khiển nhưng đều nhằm đạt mục tiờu chung là điều khiển và giữ ổn định giỏ trị điện ỏp một chiều đầu ra theo giỏ trị đặt, khống chế hệ số cụng suất theo yờu cầu, đảm bảo dạng dũng điện lưới gần với hỡnh sin và cho phộp thực hiện trao đổi cụng suất hai chiều giữa tải và nguồn.
Với mục tiờu nghiờn cứu cỏc đặc tớnh của hệ truyền động dựng ASM, mà nú ớt phụ thuộc vào phương phỏp điều khiển chỉnh lưu. Do vậy, chỉ cần chọn một trong cỏc phương phỏp điều khiển đó được giới thiệu, ở đõy ta chọn phương phỏp VOC.
Cấu trỳc chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC được biểu diễn trờn hỡnh 3.13. Cỏc khõu chức năng cơ bản của khối điều khiển chỉnh lưu theo phương phỏp VOC gồm:
*
Lq
i
- Khõu đo dũng điện và ước lượng điện ỏp lưới: Thực hiện đo dũng xoay
chiều đầu vào chỉnh lưu (iLa, iLb), biến đổi dũng điện ở hệ ba pha sang vector
khụng gian trờn hệ toạ độ cố định α-β (iLα, iLβ) và tớnh cỏc thành phần vector
điện ỏp lưới trờn hệ toạ độ α-β (uLα, uLβ).
- Khõu biến đổi α-β⇒ k-γ: Thực hiện xỏc định gúc γ giữa vector điện ỏp
lưới và trục α của hệ toạ độ α-β, đõy cũng là gúc giữa trục d của hệ toạ độ
quay d-q với trục α của hai hệ toạ độ cố định α-β, phục vụ cho việc chuyển
toạ độ cỏc vector dũng và ỏp.
- Khõu biến đổi α-β⇒ d-q làm nhiệm vụ biến đổi hệ toạ độ vector dũng
iLa iLb SCLa,b,c
Khõu đo dũng và ước lượng điện ỏp
lưới Khõu điều chế độ rộng xung PWM Udc - Udc iLα α−β iLβ d - q uLα α−β k−γ sinγUL cosγUL uLβ sinγUL cosγUL α−β PI usα usβ d q usq usd PI ∆Udc PI iLd iLq - ∆iLq - i* = 0 ∆iLd * Ld
Hỡnh 3.13: Cấu trỳc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC
điện lưới, đầu ra nhận được cỏc thành phần của vector dũng điện lưới trờn hệ toạ độ quay d-q (iLd, iLq).
i q * d r d q
- Khõu biến đổi d-q ⇒ α-β làm nhiệm vụ biến đổi hệ toạ độ vector điện
ỏp tải qui đổi, đầu ra nhận được cỏc thành phần của vector điện ỏp tải trờn hệ
toạ độ α-β (usα, usβ) dựng để điều khiển khõu điều chế độ rộng xung PWM.
- Khõu điều chế độ rộng xung PWM: Thực hiện tạo cỏc xung điều khiển cỏc khoỏ đúng cắt của mạch lực, khõu hoạt động theo nguyờn lý điều chế vector khụng gian.
- Cỏc bộ điều chỉnh dũng và ỏp được lựa chọn là cỏc bộ PI, tớn hiệu đặt
*
của cỏc bộ điều chỉnh dũng là d được lấy từ đầu ra bộ điều chỉnh điện ỏp và
i* = 0 (được lấy bằng khụng theo điều kiện hệ số cụng suất bằng 1). Như
vậy, trờn thực tế, hệ chỉ cú một tớn hiệu điều khiển chung cho bộ chỉnh lưu là tớn
hiệu đặt điện ỏp một chiều Udc .
b. Điều khiển nghịch lưu:
Trờn hỡnh 3.14 giới thiệu khối điều khiển nghịch lưu bao gồm bộ điều chỉnh tốc độ quay (ĐCTĐQ) theo luật tỷ lệ tớch phõn (PI), cỏc khõu chuyển đổi tọa độ khụng gian, khõu tớnh gúc quay, cỏc bộ điều chỉnh dũng ba pha
(RIa, RIb, RIc), khối điều chế độ rộng xung PWM. Để cú tớn hiệu dũng điện và
tốc độ phục vụ cho điều khiển của hệ thống ta sử dụng cỏc sensor đo dũng xoay chiều hai pha của động cơ và mỏy đo tốc độ quay (encoder). Cỏc tớn hiệu
vào của hệ thống điều khiển nghịch lưu gồm cú: Tớn hiệu đặt dũng trục d (i* )
và tớn hiệu tốc độ gúc (ω* ). Tớn hiệu đặt dũng trục d được chọn theo điều kiện
từ thụng rotor khụng đổi (i* = const) và tớn hiệu đặt dũng trục q (i* ) được lấy
từ đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ quay, được đưa đến khõu chuyển đổi tọa độ d-q
⇒ α-β, tiếp sau là khõu chuyển đổi α-β ⇒ abc cho ta giỏ trị cần của dũng
điện ba pha vào động cơ i* a , i* b , i* c. Cỏc giỏ trị cần của dũng điện được so sỏnh với giỏ trị thực của dũng động cơ, sau khi xử lý bởi cỏc bộ điều chỉnh dũng và sau đú được dựng để điều khiển khối điều chế độ rộng xung PWM, tạo cỏc xung điều khiển phự hợp khống chế cỏc khúa đúng cắt mạch lực.
i i i i i 3
Thuật toỏn điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC, thuật toỏn điều khiển vector phần nghịch lưu đều được xõy dựng bằng cỏc phần mềm. Cỏc phần mềm cú thể được viết bằng một số ngụn ngữ lập trỡnh khỏc nhau như bằng ngụn ngữ C hoặc bằng Matlab.
- Viết chương trỡnh bằng ngụn ngữ lập trỡnh C: Một số thuật toỏn điều khiển của hệ truyền động như chương trỡnh tớnh toỏn thời gian đúng cắt cỏc van của phần chỉnh lưu PWM và phần nghịch lưu cơ bản giống nhau (khõu điều chế PWM) và được lập bằng ngụn ngữ lập trỡnh C. * d =const * q ejϑ * a * b 2 * c ϑ ia RIa ib RIb ic RIc ia Điều chế PWM Xung ĐK cỏc van ia ω* ω ĐCTĐQ: PI ωe/2 ib Khõu tớch phõn I pm 2 ω ω
Hỡnh 3.14: Cấu trỳc khối điều khiển nghịch lưu của hệ truyền động biến tần – động cơ khụng đồng bộ rotor lồng súc
- Viết chương trỡnh bằng ngụn ngữ Matlab: Ngoài chương trỡnh tớnh toỏn
được viết bằng ngụn ngữ C, cỏc bộ điều chỉnh trong phần điều khiển chỉnh lưu PWM và nghịch lưu, cỏc khõu biến đổi toạ độ, một số thuật toỏn tớnh toỏn được lập trỡnh bằng Matlab-Simulink.