ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔMEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ RÔTO LỒNG SÓC SỬ DỤNG BIẾN TẦN NGUỒN ÁP

ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP, MÔMEN ĐỘNG CƠ , KHÔNG ĐỒNG BỘ, RÔTO LỒNG SÓC, SỬ DỤNG BIẾN TẦN NGUỒN ÁP

Đề tài: điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ

rôto lồng sóc sử dụng biến tần nguồn áp

Chủ nhiệm bộ môn : TS Nguyễn Mạnh TiếnThầy giáo hớng dẫn : PGS.TS Nguyễn Văn Liễn

Sinh viên : Nguyễn Đình Quang

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Điều khiển trực tiếp mômen

động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc sử dụng biến tần nguồn áp” do em

tự thiết kế dới sự hớng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Liễn

Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ở cuối đồ án, em đảm bảo không sao chép các công trình khoa học hay thiết kế tốt nghiệp của ngời khác.

Sinh viên

Nguyễn Đình Quang

Lời nói đầu

Ngày nay cùng với sự phát triển của các nghành kỹ thuật điện tử, côngnghệ thông tin là sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hóa Trong sảnxuất công nghiệp, tự động hóa quá trình sản xuất là mũi nhọn và then chốt đểgiải quyết vấn đề nâng cao năng suất và chất lợng sản phẩm Một trong nhữngvấn đề quan trọng trong dây truyền tự động hóa là việc điều chỉnh tốc độ của

động cơ Trong đó phải kể đến hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng

bộ rotor lồng sóc, loại động cơ này gần đây đợc sử dụng rất rộng rãi do nó có rấtnhiều u điểm nổi bật so với các động cơ khác Hớng điều khiển U/f , điều khiểnvector dòng điện dùng phơng điều chế vector

Bản đồ án tốt nghiệp này đề cập đến hệ thống điều khiển động cơ không

đồng bộ bằng thiết bị biến tần nguồn áp theo phơng pháp điều khiển trực tiếp mômen DTC

Trong khuôn khổ thời gian cho phép bản đồ án đã đề cập đến các vấn đềsau:

- Giới thiệu về động cơ không động đồng bộ ba pha rotor lồng sóc

- Giới thiệu biến tần nguồn áp và một số nguyên tắc điều khiển tần số độngcơ không đồng bộ

- Giới thiệu phơng pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC – direct torquecontrol) và các phơng pháp cải tiến nhằm nâng cao chât lợng điều khiển

- Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ không động đồng bộ

ba pha theo phơng pháp DTC

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, ngời đã trực tiếp tận tìnhhớng dẫn em hoàn thành bản đồ án này, đồng cám ơn thây cô giáo trong bộ môncác bạn sinh viên lớp TĐH1 – K47 đã đa ra nhiều góp ý nhằm hoàn thiện đồ án!

……… 31.2 Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

1.2.1 Sơ đồ thay thế………

…… 41.2.2 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Stator 121.3.2.2 Từ thông rotor trong hệ tọa độ gắn với Rotor………

1.3.2.3 Từ thông rotor biểu diễn trên hệ tọa độ cố định gắn với

stator……141.3.2.4 Từ thông stator trong hệ toạ độ gắn với rotor…………

………… 151.3.3 Điện áp stator và rotor trên hệ toạ độ không gian

pha………… 151.3.4 Biểu diễn phơng trình động cơ trong không gian

pha……… 151.3.4.1 Phơng trình điện áp trong không gian pha bất kỳ

3.1.1 Giới thiệuchung……… 433.1.2 Nguyên lý điều khiển tần số động cơ KĐB trên cơ

sử dụng điện áp và dòng điện (Vdc, isA và isB)

3.2 Các phơng pháp cải tiến trong sơ đồ điều khiển trực tiếp mômen

3.2.1 Giớithiệu………… 54

4.2 Cấu trúc các khối chi tiết trong sơ đồ

D Q các thành phần hoành và tung stator trên hệ toạ độ gắn với rotor.

g hệ trục toạ độ bất kỳ.

Bảng 3.3 Tác động của mỗi trạng thái trong 2 phơng pháp TI/TD: tăng/ giảm

mômen, FI/FD: tăng giảm từ

Hình 1.7 Biên độ của vectơ không gian và góc quay trên hệ tọa độ khác

vectơ………… 36

Hình 2.13 Điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện : Mômen và kích

từ……… 37

Hình 2.14 Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động cơ tựa từ thông

Rotor……… 38

Hình 2.15 Vectơ từ thông ψs liên quan đến vectơ từ thông Rotor ψr dới tác dụng

của vectơ điện áp………

Hình 2.16 Sơ đồ khối DTC………

Hình 3.6 Vị trí từ thông Stator và chọn các vectơ điện áp chuyển mạch tối u, FIL

tăng từ thông; FD: giảm từ thông; TI: tăng mômen; TD: giảm

1.1 giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ

1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ

Vào năm 1820, Hans Christian và Oersted đã tiến hành các thí nghiệm nghiêncứu ảnh hởng của từ trờng dòng điện Một năm sau đó, Michael Faraday đã khámphá ra trờng điện từ quay và động cơ điện đầu tiên ra đời Faraday tiếp tục khám

phá ra cảm ứng điện từ vào năm1831 nhng phải đến năm 1833 thì Tesla mới phátminh ra động cơ không đồng bộ xoay chiều Ngày nay, các động cơ điện chia làm

2 loại : động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều, động cơ xoay chiều

gồm: động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ Cho đến ngày nay, lý thuyếtxây dựng động cơ điện vẫn dựa trên các lý thuyết của Oersted, Faraday và Tesla/ Cấu trúc của động cơ không đồng bộ gồm 2 phần chính: Stator đứng yên vàphần Rotor quay Động cơ không đồng bộ gồm 2 loại: Động cơ không đồng bộRotor dây quấn và Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc (ngắn mạch)

Gồm 2 loại rotor dây quấn và rotor lồng sóc

- Rotor dây quấn: dây quấn giống dây quấn stator Dây quấn 3 pha rotorthờng đấu sao, 3 đầu kia nối vào 3 vành trợt làm bằng đồng đạt cố định ở 1 đầutrục và qua chổi than có thể đa điện ra ngoài Có thể thông qua chổi than đa điệntrở phụ hay suất điện động phụ vào mạch rotor để cải thiện mở máy, điều chỉnhtốc độ,hệ số công suất Bình thờng làm việc dây quấn rotor nối ngắn mạch

- Rotor lồng sóc: Mỗi rãnh của lõi sất đợc đật 1 thanh dẫn bằng đồng hoặcbằng nhôm và đợc nối tát ở 2 đầu bằng 2 vòng ngắn mạch đồng hoặc nhôm thành

1 cái lồng ngời ta gọi đó là lồng sóc Dây quấn rotor lồng sóc không cần cách

điện với lõi sắt

3 Khe hở

Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ(0,2mm-1mm)

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tợng cảm ứng điện từ Khi

đặt điện áp 3 pha vào ba dây quấn 3 pha đạt đối xứng trong lõi thép stator, khi đó

trong khe hở không khí xuất hiện từ trờng quay mà thành phần bậc 1 của từtruờng này quay với tốc độ góc là:

p

f



 2 1

 (1.1)trong đó: f là tần số dòng điện cáp cho stator

p là số đôi cực của dây quấn stator

Đồng thời từ trờng Stator này làm cảm ứng ra các dòng điện vòng trong cácthanh dẫn Rotor (đối với loại rotor lồng sóc) hoặc các cuộn dây Rotor (đối vớiloại Rotor dây quấn) Các dòng điện Rotor này đặt trong từ trờng Stator quay nênsinh ra lực điện từ (lực Lorentz) Tổng các lực này tạo ra mômen quay Rotor ,Rotor quay cùng hớng với từ trờng Stator quay

Lúc đầu khi từ trờng Stator đã sinh ra thì Rotor tăng tốc nhanh để cố gắng bắtkịp từ trờng quay đó, đồng thời từ trờng quay quét qua Rotor càng giảm nên sức

điện động cảm ứng phía Rotor sẽ giảm dần và dòng điện Rotor cũng giảm theo Nếu tốc độ Rotor bằng tốc độ từ trờng quay thí lúc đó sẽ không có lực điện từ

đợc sinh ra và rotor quay chậm lại Do đó tốc độ Rotor không thể bằng tốc độ

đông bộ, tốc độ đông bộ phụ thuộc vào tần số nguồn điện cấp và số đôi cực của

động cơ, sai khác giữa 2 tốc độ gọi là tốc độ trợt

1.1.3 ứng dụng, u và nhợc điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Các động cơ không đồng bộ có u điểm là: rẻ tiền, thiết kế và sản xuất đợc dễdàng, dễ bảo dỡng, không cần vành chuyển mạch điện và chổi than, là loại độngcơ đợc sử dụng rộng rãi Chúng có Mômen quán tính và trọng lợng nhỏ, hiệu suấtcao, khả năng quá tải lớn và vững chắc Ngoài ra các động cơ không đồng bộ cóthể làm việc trong các môi trờng khắc nghiệt dễ cháy nổ vì chúng không có khảnăng đánh lửa Do những u điểm này mà động cơ không đồng bộ đợc u tiên quantâm tìm hiểu nh bộ biến đổi năng lợng điện cơ

Các động cơ không đồng bộ cũng có nhiều nhợc điểm, nh tốc độ của chúngphụ thuộc vào tần số và biên độ điện áp nguồn cấp mà trong thực tế nhiều lúcnăng lợng cơ lại yêu cầu các tốc độ có thể thay đổi đợc Chúng có thể chạy ở tốc

độ gần bằng hằng số đối với tải và từ không tảI tới đầy tải Điểu này không giống

nh các động cơ điện một chiều, các động cơ không đồng bộ gặp khó khăn để điềukhiển tách bạch các thành phần dòng điện sinh mô men và từ thông Để nâng caohiệu suất sử dụngt hì hệ truyền động động cơ không đồng bộ thay đổi tốc độ cókhả năng cấp cho động cơ điện ba pha có tần số và biên độ có thể thay đổi đợc,nên bộ điều khiển phức tạp hơn so với loại một chiều

1.2 Mô hình toán học động cơ không đồng bộ xoay

chiều

ba pha

Để hiểu và thiết kế điều khiển một động cơ trớc hết ta phải hiểu rõ mô hình

động học của nó Một phơng pháp điều khiển tốt phải đáp ứng đợc sự thay đổicủa công nghệ, nên ta có thể nói một mô hình động học tốt cho động cơ sẽ đápứng đợc vấn đề đó

Thêm vào nữa, mô hình động học phải đáp ứng đủ các hiệu ứng động học quan

trọng xảy ra trong cả quá trình dừng và quá trình quá độ Nó cũng phải đáp ứng

đợc cho bất cứ sự thay đổi nào của nguồn cấp biến tần nh là điện áp hay dòng

điện

Để cho đơn giản, ta coi động cơ không đông bộ có những đặc điểm sau:

 Ba cuộn dây cuốn đối xứng nhau

 Bỏ qua ảnh hởng của khe hơ không khí

Đối với động cơ không đồng bộ có một số sơ đồ thay thế nh: sơ đồ thay thế hình

T hoặc hình .ở trên là sơ đồ thay thế hình  của động cơ không đồng bộ Trong

sơ đồ thay thế trên ta có :

U1 là trị số hiện dụng của điện áp pha stator

I0, I1 , I2: là các dòng điện từ hoá, dòng stato, dòng rôto quy đổi về stato

X0, X1, X2: là điện kháng tản mach từ hoá,stato, rôto đã quy đổi về stato

R0, R1 , R2: là điện trở của mạch từ hoá, cuộn dây stator, của rotor đã quy đổi về

với 1 là tốc độ góc của từ trờng quay hay tốc độ đồng bộ

R R

R U Te

2 2

2 1

'

' 3

2 1

U Te

1 2

) ' ( ) ' (

'

x x S

r r

U I

1

+s

n= 0-n +s

dấu + ứng với trờng hợp động cơ không đồng bộ làm việc ở chế độ động cơ,dấu

– ứng với khi dộng cơ làm việc ở chế độ máy phát

1.2.3 Các phơng trình điện áp.

ở trên ta đã nghiên cứu xây dung mô hình cũng nh xác định đặc tính cơ của

động cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập Để thể hiện rõ tất cả các ảnh h ởng xuất

hiện trong chế độ xác lập cũng nhh chế độ quá độ ta tiếp tục nh sau:

Điện áp của stator đợc viết trên hệ toạ độ gắn với trục động cơ Theo cách này,

điện áp rotor đợc viết trên hệ toạ độ quay gắn với rotor

Ta có thể biểu diễn phơng trình trong hệ toạ độ tĩnh nh sau:

1.2.4 áp dụng phép chuyển hệ toạ độ Park

Để rút gọn biểu thức cho phơng trình điện áp động cơ không đồng bộ, ta có thể áp

dụng phép chuyển hệ toạ độ Park Về mặt vật lý có thể hiểu nó là việc chuyển từ

ba cuộn dây của động cơ không đồng bộ thành cuộn dây đặt vuông góc nhau nh

hình vẽ sau:

Hình 1.3 Sơ đồ của phép chuyển hệ trục toạ độ

Từ hình vẽ ta có thể thấy mối quan hệ giữa hai trục toạ độ đợc thể hiện nh sau:

cos cos( 3) cos( 3)

sD sD

Việc chuyển đổi vecto không gian nhằm chuyển đổi các đại lợng tức thời của

hệ toạ độ ba pha về mặt phẳng phức gắn vuông góc với trục động cơ Trong mặtphẳng này, các đại lợng pha sẽ quay với góc bằng với tần số góc trong hệ toạ độ

ba pha Ví dụ một đại lợng pha quay với tốc độ góc có thể miêu tả trờng điện từquay Thêm vào đó, trong trờng hợp đặc biệt là trạng thái dừng, khi đó điện ápcung cấp là hình sin và đối xứng, thì đại lợng không gian pha bằng với đại lợngpha điện áp ba pha Ta có thể mô tả bằng hình sau:

Hình 1.4 Chuyển đổi tơng đơng các cuộn dây của động cơ không đồng bộ

Để chuyển từ hệ trục toạ độ cố định sang hệ trục toạ độ không gian pha, ta phảithêm toán tử a

Hình vẽ sau trình bày mô hình động cơ trong hai hệ trục, một hệ trục toạ độ D-Q

cố định gắn với stator, và hệ   trục gắn với rotor quay

Hình 1 4– Mặt cắt ngang của động cơ KĐB với các hệ trục toạ độ gắn

trên Stator và Rotor

Dòng điện trong hệ toạ độ không gian pha đợc biểu diễn nh sau:

2

2[1 ( ) ( ) ( )]

2

2

2Re( ) Re[ (1 )]

32Im( ) Im[ (1 )]

2

2Re( ) Re[ (1 )]

32

32

và trục ảo của nó đợc biểu diễn bằng r

Dòng điện rotor trong không gian pha đợc biểu diễn nh sau:

m

j j

i i e  i e   

(1.27)Khi biểu diễn trong hệ hai    trục ta có:

( ) ( )

r s s

(1.28)Hay:

2

2

2Re( ) Re[ (1 )]

32Im( ) Im[ (1 )]

32

32Re( ) Re[ (1 )]

Trong phần này ta sẽ biểu diễn từ thông trong các hệ trục toạ độ khác nhau.

1.3.2.1 Từ thông stator trong hệ toạ độ cố định gắn vói stator

Tơng tự nh đối với dòng điện, từ thông đợc biểu diễn trên hệ trục toạ độ khônggian pha nh sau:

Ta thấy cuối cùng từ thông phụ thuộc vào 2 thành phần, đó là dòng điện rotor và

sD L i s sD L i m rd

(1.37)

sQ L i s sQ L i m rq

(1.38)1.3.2.2 Từ thông rotor trong hệ toạ độ gắn trên rotor

Từ thông rotor trong hệ toạ độ gắn với rotor đợc biểu diễn nh sau:

'

s

i là dòng điện stator biểu diễn trên hệ toạ độ gắn với rotor.Ta thấy cuối cùng từ

thông phụ thuộc vào 2 thành phần, đó là dòng điện rotor và dòng điện stator

Ta cũng có thể biểu diễn từ thông theo cách khác nh sau:

r r j r

   

(1.44)Trong đó thành phần thực và ảo là:

r L i r r L i m s

(1.45)

r L i r r L i m s

(1.46)

1.3.2.3 Từ thông rotor biểu diễn trên hệ toạ độ cố định gắn với stator

Khi biểu diễn từ thông rotor trên hệ toạ độ gắn với stator, ta có thể dùng biến đổi

(1.48)Mối quan hệ giữa dòng điện stator gắn với hệ cố định và gắn với hệ quay gắn trênrotor nh sau:

Hình 1.6 Dòng điện stator đợc biểu diễn trên hai trục toạ độ gằn với rotor và

stator.

1.3.2.4 Từ thông stator trong hệ toạ độ gắn với rotor

Tơng tự nh mục trên ta dễ dàng suy ra đợc công thức tính từ thông

1.3.3 Điện áp stator và rotor trên hệ toạ độ không gian pha.

Điện áp của stator và rotor đợc biểu diễn nh sau:

đợc gắn trên hệ toạ độ quay rotor

Điện áp trên ba pha stator là:

2

Re( )Re( )Re( )

1.3.4 Biểu diễn phơng trình động cơ trong không gian pha.

Trớc tiên ta mô tả phơng trình động cơ trong hệ toạ độ quay bất kỳ, hệ toạ độ nàyquay với vận tốc wg, sau đó ta sẽ mô tả trên hệ toạ độ gắn với stator, rotor và tốc

độ đồng bộ

1.3.4.1 Phơng trình điện áp không gian pha trong hệ toạ độ bất kỳ.

Hình 1.7– Biên độ của vecto không gian và góc quay của nó trên

1.3.4.2 Phơng trình điện áp trong hệ toạ độ gắn với stator.

Trong hệ toạ độ này wg=0, phơng trình điện áp đợc viết lại nh sau:

1.3.4.3 Phơng trình điện áp trong hệ toạ độ gắn với rotor.

Khi đó wg=wm, phơng trình điện áp đợc viết lại nh sau:

Phơng trình momen cũng có thể đợc viết lại nh sau:

rằng khi góc lệch là 900 ta thu đợc mômen cực đại và đó là phơng trình cho máy

điện một chiều Và trong máy điện một chiều góc lệch này lá không đổi, nên taluôn thu đợc momen cực đại Thêm vào nữa là hai đại lợng này đợc điều khiểnriêng biệt và độc lập với nhau Trong máy điện xoay chiều, hai đại lợng này liênquan đến nhau và vị trí của hai đại lợng này trong không gian phụ thuộc cả vào vịtrí của stator và rotor Trong thực tế việc đo dòng rotor không hề đơn giản trừnhững đông cơ đợc thiết kế đặc biệt dùng trong phòng thí nghiệm Trong ứngdụng thực tế ta không thể đo đợc nó Việc tìm ra một giản đồ điều khiển đơn giảntơng tự nh động cơ điện một chiều đã dẫn theo sự phát triển của giản đồ điềukhiển vector, theo phơng pháp này ta thu đợc hai dòng riêng biệt, một để điềukhiển từ thông và một để điều khiển dòng rotor

1.4.2 Dẫn giải momen thêo quan điểm năng lợng.

Ta có phơng trình công suất máy điện nh sau:

Pcơ = Pđiện – Ptổn_hao – Pđiện_trờng

(1.77)

Từ đó ta có phơng trình sau:

' 2

Do trong hệ toạ độ cố định, điện áp stator us chỉ đợc cân bằng với sụt áp trên

điện trở, tốc độ thay đổi từ thông, phơng trình trên đợc viết lại nh sau:

' '

m r

i

L L

m r

i

L L

Từ thông stator và rotor đợc biểu diễn nh sau:

m r

i

L L

Trong đó, t là momen điện từ, e t là momen tải, J là momen quán tính của động L

cơ và cuối cùng D là hằng số suy giảm

Sử dụng phơng trình 1.82, phơng trình động học đợc biểu diễn nh sau:

Trong đó P là số đôi cực

Chơng 2 Biến tần nguồn áp và một số Nguyên tắc

điều khiển động cơ không đồng bộ

2.1 Biến tần bán dẫn

2.1.1 Cấu trúc biến tần bán dẫn

Bộ biến tần bán dẫn (BBT) là thiết bị biến đổi năng lợng điện từ tần số công

nghiệp (50Hz) sang nguồn có tần số thay đổi cung cấp cho động cơ xoay chiều

Bộ biến tần chia làm 2 loại: Biến tần trực tiếp (Cycloconverter) và biến tần giántiếp (có khâu trung gian một chiều) ở đây ta chỉ đề cập đến biến tần gián tiếp Sơ đồ khối

Hình 2.1 Sơ đồ khối biến tần gián tiếp

Điện áp tần số công nghiệp (50Hz) đợc chỉnh lu thành nguồn một chiều nhờ bộchỉnh lu không điều khiển hoặc có điều khiển, sau đó đợc lọc và bộ nghịch lu(NL) sẽ biến đổi thành nguồn điện áp xoay chiều ba pha có tần số biến đổi cungcấp cho động cơ Biến tần phải thoả mãn các yêu cầu sau :

- Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị đặt mong muốn

- Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hởkhông đổi trong vùng điều chỉnh mômen không đổi

- Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số

Bộ biến tần có thể chia làm ba loại chính tuỳ thuộc vào bộ chỉnh lu và nghịch lu

1 Bộ biến tần với nghịch lu nguồn áp điều biến độ rộng xung với bộ chỉnh

lu dùng điot Điện áp một chiều từ bộ chỉnh lu không điều khiển có trị sốkhông đổi đợc lọc từ tụ điện có trị số khá lớn Điện áp và tần số đợc điềuchỉnh nhờ bộ nghịch lu điều biến độ rộng xung (Pulse Width Modulation– PWM) Các mạch nghịch lu bằng các tranzitor (BJT, MOSFET, IGBT)

đợc điều khiển theo nguyên lý PWM đảm bảo cung cấp điện áp động cơ

có dạng gần sin nhất

2 Bộ biến tần nghịch lu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lu có điềukhiển Điện áp điều chỉnh nhờ bộ chỉnh lu có điều khiển (thông thờngbằng Thyristor hoặc Tranzitor) Bộ nghịch lu có chức năng điều chỉnh tần

số động cơ, dạng điện áp ra có dạng hình xung vuông

3 Bộ biến tần với chỉnh lu dòng điện và chỉnh lu điều khiển dùng Thyristor.Nguồn 1 chiều cung cấp cho nghịch lu là nguồn dòng với bộ lọc là cuộnkháng đủ lớn

fs, đợc so sánh với điện áp điều khiển (có tần số bằng tần số điện áp mong muốn)

để sinh ra các xung âm dơng có tần số và bề rộng có thể thay đổi đợc Tần số của sóng mang bằng tần số chuyển mạch của nghịch lu, thờng chúng đợc giữ cố định.Khi tăng số xung trong một nửa chu kỳ có thể làm giảm tần số của sóng sin đầu

ra, tăng bề rộng xung có thể làm tăng biên độ sóng sin

Dựa vào sóng mang có thể phân thành điều chế:

- Điều chế một cực tính

- Điều chế hai cực tính

Các tham số quan trọng khi thiết kế nghịch lu điều chế PWM:

- Hệ số điều biến biên độ: ma = Uđkm/Uxm

Uđkm: Biên độ của tính hiệu điều khiển.

Uxm: Biên độ của tín hiệu xung tam giác

- Hệ số điều biến tần số: mf = fx/fđk

fx : Tần số tín hiệu sóng mang/

fđk: Tần số tín hiệu điều khiển, cũng là tần số điện áp mong muốn

Khi hệ số điều biến biên độ ma <1 (ma = 0 -1) : Biên độ điện áp của thành phần sin cơ bản tỷ lệ tuyến tính với hệ số ma Tuy nhiên xuất hiện các thành phần só hài bậc cao tồn tại trong một dải xung quanh tần số chuyển mạch và

bộ số của nó: mf, 2mf , 3mf….và điện áp không thể tăng cao đợc Phơng pháp

điều biên này gọi là điều biên tuyến tính

Hình 2.3 : Sơ đồ nghịch lu ba pha

Hình 2.4 Đi u ch PWM kinh ều chế PWM kinh ế PWM kinh đi n; ển;

a) m  mmax; b) m 0 , 5

Khi hệ số điều biến biên độ ma>1 thì có thể tăng biên độ của thành phần điện

áp tần số cơ bản, quan hệ giữa thành phần cơ bản và hệ số điều biến là phituyến, phụ thuộc vào hệ số điều biến tần số mf Đồng thời có nhiều thành phầnsang hày 3,5,7… ơng pháp điều biến này gọi là phơng pháp quá điều biến Ph Để giảm đợc các thành phần sóng hài có bậc là bội số của mf (bội chẵn vàbội lẻ) thì mf đợc chọn là bội số lẻ của 3

Thực tế đa số các hệ truyền động áp dụng tần số chuyển mạch đợc thiết kếnhỏ hơn 6Khz hoặc lớn hơn 20Khz, ở các hệ truyền động có tần số chuyểnmạch tối u thì tần số chuyển mạch trong giới hạn 6 -20Khz

2.1.3 Phơng pháp PWM điều chế véctơ không gian

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị điện tử công suất đã dẫn đếnyêu cầu cần PWM hiệu quả hơn Các vấn đề nh là khử các sóng hài trong các

thành phần dòng điện, để làm giảm các tổn hao đồng trong động cơ không đồng

bộ Phơng pháp PWM thông thờng có thể thực hiện đợc bằng cách tăng tần sốsóng mang hay chính là tần số chuyển mạch Để vợt qua những hạn chế của chiếnlợc chuyển mạch , một kỹ thuật mới đợc biến đến là là phợng pháp điều biến độrộng xung theo kiểu vectơ không gian (Space Vector Pulse Width Modulation –SVPWM) đã đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp SVPWM là một phongpháp hiệu quả cao

Trên hình là cấu trúc nghịch lu ba pha, Vdc là điện áp ra của phần chỉnh lu.Các van dẫn có thể là IGBT, thyristor hay tranzitor Mỗi pha của động cơ có thểnhận một trong hai trạng thái: 1(nối với cực + của Vdc) hoặc 0(nối với cực – của

Vdc) Do có ba pha nên sẽ có tám khả năng nối các pha của động cơ

a Vdc

Vc

Vb

Va

2 1 1

1 2 1

1 1 2

3 (2.2)Tám vector chuẩn trên hệ toạ độ d-q đứng yên, ta cần ghi nhớ là modul của từngvector đó luôn có giá trị là 2Vdc/3

Hình 2.6 Các vecto điện áp

Các vector chuẩn chia không gian thành các góc phần sáu S1 S6.Chỉ bằng 8 vectorchuẩn ta tạo nên điện áp stator với biên độ và góc pha bất kỳ mà khâu ĐCD yêucầu

Có 8 vectơ chuyển mạch trong 6 sectơ: Các trạng thai a, a,b, b,c, c

Hình 2.7 Thực hiện vecto diện áp Vref trong sector 1

Thực hiện véc tơ điện áp Vref :

- Vx và Vx+1 mô tả các vectơ chuyển mạch kề nhau trong sectơ thứ x (x = 6); VNull là vectơ chuyển mạch không (V0 và V7) ; T1, T2 và T3 là cáckhoảng dẫn tơng ứng đối với mỗi vectơ chuyển mạch ; TPWM là thời gian

1-điều chế vectơ không gian

- Tần số điện mạch Stator là fs và tốc độ góc điện là ws = 2пfs, fs có thể thay

đổi theo yêu cầu nên vị trí của vectơ điện áp θs là khác nhau theo các tần

số khác nhau

- Giá trị T1, T2 và T3 phụ thuộc vào vị trí của vectơ và biên độ của vectơ điện

áp cần trong từ Sectơ và trên toàn mặt phẳng 360 °

- Việc điều chế vectơ không gian cần thiết có tốc độ tính toàn cao nh vi điềukhiển DSP

2/3 T

1 V dc

2/3 T

2 V dc

Sector 1

U2(110)

U1(100) Vref

- Điều chế vectơ không gian có thể thực hiện theo kiểu điều chế đối xứnghay không đối xứng, đảm bảo tối u quá trình chuyển mạch của các van bándẫn hạn chế tổn hao.

- Bằng phơng pháp điều chế véctơ không gian ta có thể thực hiện điều chế

đồng bộ hoặc điều chế không đồng bộ

- Điều chế không đồng bộ : Tỷ số fPWM/fs thay đổi, fPWM là hằng số

- Điều chế đồng bộ : Tỷ số fPWM/fs = Nx = const ; trong đó fPWM = 1/TPWM làtần số đóng cắt trong một chu kỳ điều chế ; Nx là số xung cắt trong phạm

vi một chu kỳ fs hoặc là hệ số điều biến tần số và chỉ có thể nhận các giátrị sau đây: Nx = 9 +6n ; n = 0, 1, 2, 3… và Nx là các bội số lẻ của 3

Trong trờng hợp trên trình tự thực hiện véctơ nào trớc trong ba véctơ u1,u2,vector 0 phụ thuộc vào trình tự nào là có lợi nhất, tức là có số lần đóng cắt nhỏnhất Nếu trạng thái cuối cùng là u0 thì trạng thái thực hiện sẽ là u1->u2->u7 , ngợclại nếu trạng thái cuối cùng là u7 thì trình tự thực hiện sẽ là u2->u1->u0

Bằng phơng pháp thực hiện điện áp nh vậy, ta sẽ có tổn hao đóng ngắt van là ítnhất.Nếu ta ghép hai chu kỳ nối tiếp nhau trong góc phần sáu thứ nhất S1 , ta đợchình vẽ của phơng pháp điều chế độ rộng xung sau:

2.2 chiến lợc điều khiển tần số động cơ không đồng bộ

2.2.1 Giới thiệu chung

Cho đến nay, đã có nhiều lý thuyết xoay quanh vấn đề các vấn đề điều khiển

động cơ không đồng bộ, nh điều khiển theo luật điện áp/tần số (U/f), điều khiển

theo từ trờng (FOC – Field Oriented Control) và điều khiển trực tiếp momen

(DTC – direct torque control) Đồng thời với sự phát triển của các thiết bị điện

tử công suất và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP – Digital Signal Processor) nên

đã có nhiều loại bộ điều khiển động cơ không đồng bộ có chất lơng cao ra đời

Phơng pháp điều chỉnh ĐC KĐB có hiển thị đợc chia ra điều chỉnh vô hớng và

điều khiển véctơ Sau đây là hình mô tả sự phân chia tổng quát của phơng pháp

biến tần:

Điều khiển vộctơ

Điều khiển vụ

hướng

U/f=hằng số Is=f(w) Tựa theo

từ trường

Tuyến tớnh hoỏ hồi tiếp

Điều khiển trực tiếp moment

Điều khiển thụ động

Điều khiển biến tần

Trực tiếp (Blasckle)

Giỏn tiếp (Hasse)

Vũng hở NFO (jonsson)

Điều khiển momen

và từ thụng vũng kớn

Hình 2.9 :Phân loại các phơng pháp điều khiển IM

(NFO-natural field orientation)

Với phơng pháp điều khiển vô hớng, dựa trên các quan hệ trong trạng thái dừng,

ta chỉ có thể điều khiển đợc rời rạc biên độ của véctơ điện áp, dòng, và từ

thông Do đó, điều khiển vô hớng không đề cầp đến vị trí vectơ không gian Ngợc

lại, với phơng pháp điều khiển vectơ , dựa trên mối quan hệ trạng thái động thì

không chỉ biên độ và tần số mà cả vị trí tức thời của các tham số trên đợc kiểm

soát Do đó, phơng pháp điều khiển vectơ đề cập đến vị trí của các véctơ không

gian và cho ta biết hớng chính xác của trong cả trạng thái dừng và động Dựa vào

định nghĩa ở trên, vectơ không gian là triết lý điều khiển tổng quát đợc sử dụng

theo rất nhiều cách Phơng pháp phổ biến nhất đó là điều khiển theo từ trờng

( FOC ) hay còn gọi là điều khiển vectơ đợc đề xuất bởi Hasse và Blasclke và

đ-ợc ứng dụng cho cả ĐC KĐB công suất lớn

Trong điều khiển véctơ, các phơng trình của động cơ đợc chuyển sang hệ trụctoạ độ quay đồng bộ với vectơ từ thông rôto Hệ trục toạ độ mới này đợc gọi là hệtrục toạ độ trờng Trong hệ toạ độ trờng - khi biên độ từ thông rôto không đổi - ta

có quan hệ giữa các biến điều khiển và mômen là tuyến tính Thêm nữa giống nh

đông cơ một chiều kích từ độc lập, biên độ từ thông đợc giảm từ thông yếu vớimục đích giới hạn điện áp stato khi động cơ đạt tốc độ cao Việc chuyển các ph-

ơng trình ĐC KĐB trong hệ toạ độ trờng có cơ sở vật lý vì nó tơng ứng với sựsinh ra mô men quay đợc tách ra trong động cơ một chiều kích từ độc lập Tuynhiên trên quan điểm lý thuyết, các dạng khác của việc chuyển hệ trục toạ độ đợcchọn có thể thu đựơc sự tách biệt và tuyến tính hoá các phơng trình của ĐC KĐB

Nó đặt nền tảng cho phơng pháp điều khiển phi tuyến hiện đại Marino et al đã đềxuất việc chuyển đổi phi tuyến các biến trạng thái của động cơ sao cho trong hệtrục toạ độ mới tốc độ và biên độ từ thông rôto đợc tách bởi khâu hồi tiếp, phơngpháp này đợc gọi là điều khiển tuyến tính hoá hồi tiếp ( FLC ) hay tách biệt đầuvào - đầu ra Một cách tiếp cận tơng tự, dẫn ra từ mô hình đa vô hớng ( multiscale) của ĐC KĐB, đợc đề xuất bởi Krzeminski Một phơng pháp dựa trên sự lýthuyết biến đổi và định hình năng lợng đợc khảo sát gần đây và đợc gọi là điềukhiển thụ động (PBC) Trong trờng hợp này, động cơ không đồng bộ đợc miêu tảbằng phơng trình Euler-Lagrange trong hệ toạ độ thông thờng

Vào những năm giữa thập kỷ 80, có xu hớng tiêu chuẩn hoá các hệ thống điềukhiển dựa vào FOC, thì xuất hiện hớng nghiên cứu mới đầy sáng tạo củaDepenbrock và của Takahashi và Noguchi, với ý tởng tách khỏi việc chuyển đổitoạ độ hay việc đa về tơng tự điều khiển động cơ điện một chiều Những ý tởngnày đợc đế xuất để thay thế phơng pháp điều khiên tách biệt bằng phơng pháp

điều khiển mang tính đột phá dựa vào thao tác tắt bật của thiết bị công suất bándẫn chuyển đổi

Phơng pháp này điều khiển mô men trực tiếp ( DTC ) và từ năm 1985 nó đãliên tục đợc phát triển và hoàn thiện bởi nhiều nhà nghiên cứu khác (danh sáchxem ở mục tham khảo) Các bộ điều khiển theo phơng pháp FOC dựa trên lýthuyết không gian máy điện và điều khiển bộ biến tần theo phơng pháp PWM

điều chế véctơ không gian (SVPWM – Space Vectơ Pulse Width Modulation).Cũng dựa trên cơ sở SVPWM mà phơng pháp điều khiển theo luật U/f vòng đóng

có thể nâng coa đợc chất lợng với bộ điều chỉnh PI cùng với các chiến lợc khác(điều khiển theo độ trợt, điề khiển tối u theo hiệu suất) nhằm nâng cao chất lợng

hệ truyền động

Với sự hoàn thiện của lý thuyết điều khiển thích nghi theo mô hình trạng tháI(MRAS – Model Reference Adaptive System) và sự ra đời của các bộ DSPchuyên dụng đã cho phép điều khiển động cơ không dùng Sensor Các hệ truyền

động U/f, FOC, ngày nay đã khá phổ biến và hoàn thiện về chất lợng cũng nh ứngdụng Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu vẫn đợc tiếp tục với DTC nhằm nângcao hơn nữa cũng nh lợi ích mà nó đem lại

2.2.2 Nguyên lý điều khiển điện áp tần số U/f

Từ phơng trình điện áp stator :

dt s d s i s R s

u   