Điều khiển trực tiếp mô men động cơ không đồng bộ bằng biến tần kiển ma trận

LỜI NÓI ĐẦU Các bộ biến tần trong công nghiệp hiện nay chủ yếu có cấu trúc AC – DC – AC, có khâu trung gian một chiều với tụ điện lớn làm kho tích trữ năng lượng.. Các biến tần này có nh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản đồ luận văn tốt nghiệp:“Điều khiển trực tiếp mômen động

cơ không đồng bộ bằng biến tần kiểu ma trận” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn

của thầy giáo TS Trần Trọng Minh Để hoàn thành đồ án này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 30 tháng 03 năm 2011

Học viên thực hiện

Nguyễn Mạnh Linh

MỤC LỤC

Nội dung Trang Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ , ĐỒ THỊ 5

LỜI NÓI ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN MA TRẬN 11

1.1 Khái quát về biến tần 11

1.2 Biến tần ma trận (Matrix Converter) 13

1.2.1 Bộ lọc đầu vào (input filter) 14

1.2.2 Mạch bảo vệ quá áp 17

1.2.3 Ma trận van bán dẫn hai chiều 20

1.3 Phương hướng nghiên cứu của đề tài 22

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ VẤN ĐỀ CHUYỂN MẠCH CỦA BIẾN TẦN MA TRẬN 24

2.1 Mô hình toán học biến tần ma trận 24

2.2 Các vector điện áp của Biến tần ma trận 26

2.3 Vấn đề chuyển mạch trong biến tần 30

2.4 Tình hình nghiên cứu và phát triển biến tần ma trận 36

CHƯƠNG 3 BIẾN TẦN MA TRẬN VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN 38

3.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp DTC 38

3.1.1 Điều khiển từ thông stator 38

3.1.2 Điều khiển mômen 40

3.2 Biến tần ma trận và hệ truyền động điều khiển trực tiếp mômen 43

3.3 Ước lượng từ thông stator 47

3.3.1 Hiện tượng trôi tích phân và hướng giải quyết 47

3.3.2 Ước lượng từ thông Stator 51

3.4 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 60

3.5 Rời rạc hóa các hàm truyền liên tục 61

3.5.1 Rời rạc hóa bộ lọc thông thấp 62

3.5.2 Rời rạc hóa bộ PI 63

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ MC-DTC 69

4.1 Mô hình khâu tổng hợp dòng điện vào – điện áp ra 69

4.2 Mô hình khâu ước lượng từ thông – mômen 70

4 3 Các khối so sánh từ thông – mômen – sinφ 71

4.3.1 Ước lượng và điều khiển giá trị trung bình của sinφ 71

4.4 Khối chọn vector điện áp tối ưu 73

4.5 Ma trận van bán dẫn hai chiều 74

4.6 Sơ đồ mô phỏng tổng thể hệ thống MC – DTC 75

4.7 Các kết quả mô phỏng 77

4.7.1 Trường hợp 1: Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ nhất 77

4.7.2 Trường hợp xảy ra quá trình đảo chiều 81

4.7.3 Động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh 81

4.7.4 Mô phỏng mạch vòng tốc độ 82

KẾT LUẬN 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các tổ hợp van, vector dòng điện vào và điện áp ra tương ứng 28

Bảng 2.2 Các trường hợp chuyển mạch giữa pha A và B 33

Bảng 3.1 Bảng lựa chọn vector điện áp theo luật DTC cơ bản 43

Bảng 3.2 Bảng chọn tổ hợp van cho hệ MC-DTC 45

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ , ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Biến tần gián tiếp với điện trở hãm dập động năng 11

Hình 1.2 Biến tần gián tiếp với cầu Thyristor hãm tái sinh 12

Hình 1.3 Biến tần 4Q sử dụng chỉnh lưu tích cực ở đầu vào 13

Hình 1.4 Cấu hình cơ bản của MC 14

Hình 1.5 Một số cấu hình của mạch lọc LC đầu vào 15

Hình 1.6 Sơ đồ một pha của bộ lọc LC 15

Hình 1.7 Đặc tính tần số của mạch lọc 17

Hình 1.8 Mạch hạn chế dòng nạp tụ Cf 17

Hình 1.9 Mạch bảo vệ quá áp dùng cầu diode kẹp 18

Hình 1.10 Đặc tính V-A của Varistor 19

Hình 1.11 Bảo vệ quá áp bằng Varistor 20

Hình 1.12 Sơ đồ cấu trúc mạch van của Biến tần ma trận 20

Hình 1.13 Cấu tạo một số loại van bán dẫn hai chiều 21

Hình 1.14 Các van hai chiều dùng IGBT: (a) C chung, (b) E chung 21

Hình 1.15 Ma trận van bán dẫn hai chiều tích hợp sẵn 21

Hình 1.16 Cấu trúc bên trong của ma trận van BDS tích hợp 22

Hình 2.1 Sơ đồ nối dây mạch van 24

Hình 2.2 Sơ đồ nối dây các tổ hợp van của biến tần ma trận 28

Hình 2.3 (a): Vector không gian điện áp ra 30

(b): Vector không gian dòng điện đầu vào 30

Hình 2.4 (a): Ngắn mạch phía lưới 31

(b): Hở mạch phía tải……… ………… ………38

Hình 2.5 Sơ đồ mô tả quá trình chuyển mạch 31

Hình 2.6 Đồ thị tín hiệu điều khiển chuyển mạch 32

Hình 2.7 Logic chuyển mạch 4 bước từ pha A sang B 33

Hình 2.8 Mô hình mô phỏng khối chuyển mạch 4 bước 34

Hình 2.9 Kết quả mô phỏng khối chuyển mạch 4 bước 36

Hình 3.1 Sự biến thiên của vector từ thông stator 39

Hình 3.2 Quỹ đạo vector từ thông stator 39

Hình 3.3 Điều khiển từ thông stato bằng khâu so sánh 2 vị trí 40

Hình 3.4 Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen quay 41

Hình 3.5 Bộ điều khiển mômen 3 vị trí 41

Hình 3.6 Cấu trúc tổng quát của hệ truyền động DTC 42

Hình 3.7 Phân bố điện áp trong từng sector 44

Hình 3.8 Bộ so sánh giá trị trung bình sin 44

Hình 3.9 Đồ thị vector dòng đầu vào 45

Hình 3.10 Cấu trúc tổng quan của hệ truyền động MC-DTC 46

Hình 3.11 Phép tích phân không có thành phần một chiều 48

Hình 3.12 Phép tích phân có thành phần một chiều 48

Hình 3.13 Sơ đồ khối khâu tích phân cải tiến 49

Hình 3.14 Sơ đồ khối tích phân với khâu phản hồi có hạn chế biên độ 49

Hình 3.15 Sơ đồ mô phỏng khối tích phân 50

Hình 3.16 So sánh kết quả tích phân khi tín hiệu có thành phần một chiều 51

Hình 3.17 Mô hình khối ước lượng từ thông stator 52

Hình 3.18 Mô hình động cơ với khâu ước lượng từ thông stator 53

Hình 3.19 Khâu ước lượng từ thông với lượng Offset = 0 53

Hình 3.20 Kết quả mô phỏng với Offset = 0 54

Hình 3.21 Kết quả mô phỏng với Offset = 1 54

Hình 3.22 Khi giá trị hạn chế bị sai lệch 55

Hình 3.23 Mô hình ước lượng từ thông stator với khâu bù thích nghi 56

Hình 3.24 Đồ thị vector mô tả mối quan hệ giữa từ thông stator 57

Hình 3.25 Mô hình bộ ước lượng từ thông với khâu bù thích nghi 57

Hình 3.26 Khâu ước lượng từ thông sử dụng cho động cơ cấp nguồn sin 3 pha 58

Hình 3.27 Ước lượng từ thông stator với mô hình động cơ cấp nguồn sin 3 pha 58

Hình 3.28 Ước lượng từ thông với động cơ cấp nguồn từ biến tần SVM 59

Hình 3.29 Ước lượng từ thông khi động cơ được cấp nguồn bởi biến tần SVM 59

Hình 3.30 Mô hình hệ DTC với mạch vòng điều khiển tốc độ 60

Hình 3.31 Tính xấp xỉ thành phần vi phân bậc nhất 63

Hình 3.32 Xấp xỉ thành phần tích phân theo phương pháp hình chữ nhật 65

Hình 3.33 Xấp xỉ thành phần tích phân theo phương pháp hình thang 66

Hình 3.34 Bộ PI với khâu hạn chế biên độ và chống bão hòa tích phân 67

Hình 4.1 Mô hình khâu tổng hợp dòng vào-điện áp ra 69

Hình 4.2 Ước lượng từ thông stator 70

Hình 4.3 Ước lượng mômen điện từ 70

Hình 4.4 Ước lượng vị trí và biên độ từ thông stator 71

Hình 4.5 Ước lượng góc pha dòng đầu vào 71

Hình 4.6 Ước lượng góc pha điện áp vào 71

Hình 4.7 Ước lượng giá trị trung bình của sinφ 72

Hình 4.9 Khâu so sánh mômen 3 vị trí 72

Hình 4.10 Khối lựa chọn tổ hợp van tối ưu 73

Hình 4.11 Ma trận van BDS và cấu trúc một tổ hợp BDS 74

Hình 4.12 Sơ đồ mô phỏng tổng thể hệ MC – DTC 75

Hình 4.13 Sơ đồ tổng thể khối điều khiển bao gồm cả mạch vòng tốc độ 76

Hình 4.14 Đáp ứng mômen 77

Hình 4.15 Đáp ứng từ thông 78

Hình 4.16 Quỹ đạo từ thông stator 78

Hình 4.17 Dòng điện 3 pha của động cơ 79

Hình 4.18 Dòng điện và điện áp của pha A phía lưới 79

Hình 4.19 Biên độ của vector không gian điện áp pha đặt lên động cơ 80

Hình 4.20 Đáp ứng mômen, dòng điện và tốc độ động cơ khi đảo chiều 81

Hình 4.21 Đáp ứng dòng điện và điện áp pha A phía lưới 82

Hình 4.22 Đáp ứng tốc độ và mômen động cơ khi tải thay đổi 82

Hình 4.23 Đáp ứng dòng điện 3 pha của động cơ khi tải thay đổi 83

LỜI NÓI ĐẦU

Các bộ biến tần trong công nghiệp hiện nay chủ yếu có cấu trúc AC – DC – AC, có khâu trung gian một chiều với tụ điện lớn làm kho tích trữ năng lượng Các biến tần này

có nhược điểm cơ bản là dòng đầu vào không sin, hệ số công suất không điều chỉnh được

dó đó công suất lắp đặt bị hạn chế, ngoài ra các biến tần thông thường lại không có khả năng trao đổi công suất với lưới

Để khắc phục những nhược điểm trên của biến tần truyền thống, nhiều cấu hình mới

đã và đang được nghiên cứu, trong đó bộ biến đổi dạng ma trận là một trường hợp cụ thể Với cấu trúc đặc biệt gồm các tổ hợp van bán dẫn hai chiều, bộ biến đổi dạng ma trận có thể ứng dụng làm biến tần trực tiếp AC – AC mà không cần khâu trung gian một chiều,

có thể tra39o đổi công suất với lưới, dòng đầu vào sin, hệ số công suất điều chỉnh được Chính bởi các ưu điểm đó mà biến tần ma trận đã thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, và gọi nó là biến tần của thể kỷ 21

Với cấu trúc tương đối phức tạp, việc kết hợp bộ biến đổi ma trận với một phương pháp điều khiển động cơ có cấu trúc thuật toán tương đối đơn giản như điều khiển trực tiếp mômen sẽ giúp giảm khối lượng tính toán của toàn hệ thống, phát huy được thế mạnh về áp đặt mômen nhanh của thuật toán DTC cũng như tính linh hoạt của bộ biến đổi ma trận

Đề tài: “Điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ bằng biến tần kiểu ma trận” có những nội dung chính sau:

Chương 1 : Tổng quan về biến tần ma trận

Chương 2 : Mô hình toán học và vấn đề chuyển mạch

Chương 3 : Biến tần ma trận và hệ truyền động điều khiển trực tiếp mômen

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá

Trong quá trình thực hiện bản luận văn, mặc dù gặp nhiều khó khăn về vấn đề chuyên môn, nhưng nhờ sự tận tình chỉ bảo hướng dẫn của thầy giáo TS.Trần Trọng Minh, tôi đã hoàn thành được luận văn với kết quả như mong muốn Tôi xin gửi lời cảm

ơn chân thành tới thầy giáo TS Trần Trọng Minh cùng tập thể các thầy cô giáo của bộ môn Tự Động Hóa Xí Nghiệp Công Nghiệp, trường ĐH Bách Khoa HN

Hà Nội, ngày tháng năm 2011

Học viên

Nguyễn Mạnh Linh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN MA TRẬN

Biến tần là một tập hợp các bộ biến đổi bán dẫn công suất có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện từ lưới điện với tần số và điện áp không đổi thành nguồn điện có tần số và điện áp thay đổi được, cung cấp cho các phụ tải xoay chiều

Hiện nay trong công nghiệp có nhiều loại biến tần với nhiều cấu hình khác nhau Các hình 1.1, 1.2, 1.3 mô tả cấu trúc của 3 loại biến tầnphổ biến nhất hiện nay

Ở hình 1.1, cấu trúc của bộ biến tần gồm một cầu chỉnh lưu diode ở đầu vào, một mạch nghịch lưu sử dụng van IGBT ở đầu ra Giữa hai khối này là tụ điện trung gian

và một khâu hãm dập động năng với điện trở hãm Rh Đây là cấu trúc biến tần kiểu AC-DC-AC kinh điển và phổ biến nhất trên thị trường hiện nay nhờ tính đơn giản, tin cậy và dễ điều khiển Tuy nhiên nhược điểm của cấu trúc này là động cơ không có khả năng trả năng lượng về lưới Năng lượng dư thừa được dập bởi điện trở hãm Đồng thời hệ số cosφ thấp và không điều khiển được

Hình 1.1 Biến tần gián tiếp với điện trở hãm dập động năng

Để khắc phục nhược điểm trên, một cấu trúc khác được đưa ra, đó là thay vì sử dụng cầu chỉnh lưu diode, ở đầu vào người ta sử dụng hai cầu chỉnh lưu Thyristor mắc

M

song song ngược (hình 1.2) Với cấu trúc này, năng lượng có thể được trả về lưới Tuy nhiên hệ số cosφ vẫn thấp và không điều khiển được Hệ thống cũng trở nên cồng kềnh hơn

Hình 1.2 Biến tần gián tiếp với cầu Thyristor hãm tái sinh

Cấu trúc thứ 3 với cấu hình gồm 3 cuộn kháng và 6 van IGBT ở đầu vào (hình 1.3), khắc phục được nhược điểm của cả hai cấu trúc trên Đó là trao đổi năng lượng theo cả hai chiều, điều chỉnh được hệ số cosφ, dòng điện vào hình sin Cấu trúc này còn gọi là biến tần 4 góc phần tư hay biến tần chỉnh lưu tích cực Nhược điểm duy nhất của cấu trúc này là việc điều khiển rất phức tạp, vì cần phải điều khiển cả hai phía: chỉnh lưu tích cực và nghịch lưu Do đó đây cũng là loại biến tần đắt tiền nhất hiện nay

Hình 1.3 Biến tần 4Q sử dụng chỉnh lưu tích cực ở đầu vào

Đúng như tên gọi, biến tần ma trận có cấu trúc gồm 9 tổ hợp khóa hai chiều ghép theo kiểu ma trận 3x3 như được mô tả ở hình 1.4 Với cấu trúc đặc biệt này, biến tần có nhiều ưu điểm như:

- Cho phép dòng năng lượng có thể di chuyển theo cả hai chiều, làm việc linh hoạt ở cả 4 góc phần tư

- Cấu trúc mạch lực khép kín và không cần khâu trung gian một chiều

- Cho phép điều khiển hệ số công suất và dòng đầu vào hình sin

Với những ưu điểm như trên, rất nhiều nghiên cứu đã tập trung vào biến tần ma trận trong thời gian gần đây Sau đây tác giả xin được giới thiệu chi tiết hơn về cấu trúc của loại biến tần này

Cấu hình cơ bản của biến tần ma trận được thể hiện trên hình 1.4 gồm 3 phần:

- Ma trận van gồm 9 khóa hai chiều

- Mạch lọc nhiễu đầu vào LC

- Mạch bảo vệ quá áp

Hình 1.4 Cấu hình cơ bản của MC

1.2.1 Bộ lọc đầu vào ([8])

Bộ lọc L-C ở đầu vào đóng vai trò làm giao diện giữa biến tần ma trận đối với lưới điện Đây là phần tử đóng vai trò quan trọng và không thể thiếu bởi những lý do sau:

- Đảm bảo điện áp đặt lên biến tần không bị thay đổi đột ngột trong mỗi chu kỳ điều khiển

- Do bản chất dòng điện đầu vào biến tần ma trận là các chuỗi xung gián đoạn tần

số cao, nên biến tần ma trận cũng là một nguồn phát sóng hài bậc cao về lưới Bộ lọc đầu vào phải có nhiệm vụ loại bỏ các sóng hài này

Một số cấu hình khác nhau của bộ lọc đầu vào được thể hiện ở hình (1.5) Nhìn chung khi thiết kế bộ lọc đầu vào cần đảm bảo các yêu cầu sau:

- Loại bỏ các sóng hài gây ra do đóng cắt van ở tần số cao

- Đảm bảo góc dịch pha giữa dòng điện sau lọc và điện áp vào là nhỏ

- Trở kháng ra của bộ lọc càng nhỏ càng tốt

Hình 1.5 Một số cấu hình của mạch lọc LC đầu vào

Có nhiều cách để thiết kế bộ lọc đầu vào Sau đây là một cách dựa trên xây dựng

mô hình toán học của bộ lọc Xét sơ đồ một pha của bộ lọc như hình 1.6

Hình 1.6 Sơ đồ một pha của bộ lọc LC

Trong đó:

- Rd là điện trở dập

- Rf, Lf là điện trở và điện cảm của cuộn kháng

- Cf là điện dung của mạch lọc

Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện của bộ lọc được mô tả dưới dạng hàm truyền như sau:

Đặc tính tần số tổng quát của mạch lọc được minh họa ở hình (1.6) Nhìn chung

hệ số tắt dần càng lớn thì thì khả năng lọc sóng hài bậc cao càng kém Tuy nhiên có thể căn cứ vào hai công thức trên để mô phỏng và chọn phù hợp với từng trường hợp cụ thể

Hình 1.7 Đặc tính tần số của mạch lọc

Để hạn chế dòng nạp tụ Cf trong mạch lọc, có thể ta cần thêm một mạch “khởi động mềm” có cấu trúc như hình (1.8) Khi khởi động, các điện trở Rst tham gia vào mạch nhằm hạn chế dòng nạp tụ Sau một thời gian trễ phù hợp, các tiếp điểm của rơle

sẽ nối tắt bộ điện trở này

Hình 1.8 Mạch hạn chế dòng nạp tụ Cf

1.2.2 Mạch bảo vệ quá áp

Có nhiều cách để bảo vệ quá áp cho các van trong bộ biến đổi ma trận Ở đây tác giả chỉ giới thiệu hai phương pháp phổ biến và đơn giản nhất

Hình 1.9 Mạch bảo vệ quá áp dùng cầu diode kẹp

a Mạch bảo vệ quá áp dùng tụ điện và cầu diode kẹp

Mạch điện gồm có hai cầu chỉnh lưu 3 pha, một cầu chỉnh lưu có đầu vào xoay chiều là lưới điện, cầu chỉnh lưu còn lại có đầu vào xoay chiều nối với 3 pha của động

cơ Phía một chiều của hai mạch này nối chung với với một tụ điện Mạch điện này có chức năng:

- Bảo vệ biến tần ma trận khỏi hiện tượng quá áp gây ra do nhiễu điện áp lưới

- Bảo vệ biến tần ma trận khỏi hiện tượng quá áp gây ra do cắt tải đột ngột trong trường hợp xảy ra sự cố

Ở trạng thái bình thường, mạch clamp có thể sử dụng để cung cấp một phần năng lượng cho mạch điều khiển

Khi có sự cố xảy ra, mạch clamp sẽ thực hiện chức năng bảo vệ bằng cách nạp năng lượng dư thừa cho tụ Cclamp Quá trình diễn ra như sau:

- Với trường hợp quá áp đầu vào, tụ Cclamp sẽ được nạp thông qua cầu diode phía lưới Nhờ vậy, điện áp đầu vào không bị tăng vọt

- Còn trường hợp cắt tải đột ngột ra khỏi lưới, nếu tải có tính cảm kháng lớn thì năng lượng tích luỹ trên tải được giải phóng qua cầu chỉnh lưu phía động cơ

Trong quá trình làm việc, điện áp trên đầu cực tụ điện có thể bị dâng cao dần lên

Do đó cần có phần tử tiêu tán bớt năng lượng của tụ điện nhằm không cho điện áp dâng lên quá cao Cách đơn giản nhất là dùng một điện trở mắc song song với tụ điện Nhưng một cách khác hiệu quả hơn là dùng chính năng lượng này để nuôi mạch điều khiển

b Bảo vệ quá áp dùng varistor

Một cách bảo vệ quá điện áp khác rất hay được sử dụng là dùng các phần tử Varistor Các phần tử Varistor có đặc tính gần giống một diode phân cực ngược Bình thường, khi điện áp nhỏ hơn ngưỡng cho phép, phần tử này hầu như không dẫn dòng Khi điện áp vượt ngưỡng giới hạn, phần tử này hoạt động giống như một diode bị đánh thủng, dẫn dòng gây ra do quá áp qua nó Khi điện áp giảm dưới ngưỡng giới hạn, nó lại phục hồi lại trạng thái khóa, do đó ngăn chặn hiện tượng điện áp tăng vọt Hình 1.10

là đặc tính V-A của Varistor, còn hình 1.11 mô tả cách nối các phần tử Varistor ở đầu vào và đầu ra

Hình 1.10 Đặc tính V-A của Varistor

Hình 1.11 Bảo vệ quá áp bằng Varistor

1.2.3 Ma trận van bán dẫn hai chiều

Tổ hợp này gồm chín van bán đẫn hai chiều BDS (BiDirectional Switch) nối theo kiểu ma trận 3x3 (Hình 1.12) Với cách nối dây này, một pha của tải có thể nối với bất

kỳ pha nào của lưới Do đó dòng và áp đầu ra là tổng hợp của dòng và áp xoay chiều đầu vào

Hình 1.12 Sơ đồ cấu trúc mạch van của Biến tần ma trận

Các van bán dẫn hai chiều này được tạo ra từ các khóa bán dẫn một chiều thông thường Một số tổ hợp van bán dẫn hai chiều được mô tả ở hình 1.13 Tuy nhiên thực tế

sử dụng chủ yếu cấu hình hai van IGBT do các đặc tính ưu việt như điều khiển bằng

điện áp, đóng cắt nhanh, khả năng chịu điện áp cao, dòng điện lớn Cấu hình phổ biến

là Colector chung và Emiter chung (hình 1.14)

Hình 1.13 Cấu tạo một số loại van bán dẫn hai chiều

Hình 1.14 Các van hai chiều dùng IGBT: (a) C chung, (b) E chung

Hiện nay các module BDS sử dụng cho MC được sản xuất dưới dạng compact (hình 1.14), tuy nhiên có thể tự tạo ra các khóa BDS bằng các van bán dẫn thông thường như MOSFET, IGBT …

Hình 1.15 Ma trận van bán dẫn hai chiều tích hợp sẵn

Hình 1.16 Cấu trúc bên trong của ma trận van BDS tích hợp

Có thể thấy rằng, với cấu trúc phần cứng đặc biệt, bộ biến đổi ma trận có thể dễ dàng trao đổi công suất với lưới theo cả hai chiều Do đó rất nhiều nghiên cứu trong thời gian gần đây đã tập trung vào việc ứng dụng bộ biến đổi công suất này Một trong những ứng dụng được tập trung nhiều nhất chính là biến tần bởi tính phổ biến và vai trò quan trọng của nó trong các hệ thống sản xuất

Hai thuật toán thành công nhất hiện nay áp dụng cho điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha là tựa từ thông roto (FOC) và điều khiển trực tiếp mômen (DTC) Với thuật toán FOC, ưu điểm là tạo ra một hệ truyền động chất lượng cao với dải điều chỉnh rộng, phát huy được mômen tốt ngay cả ở tốc độ cận không, hoàn toàn có thể thay thế các hệ truyền động một chiều Tuy nhiên thuật toán này tương đối phức tạp, cần các phép chuyển đổi tọa độ, bộ điều khiển dòng điện, bộ điều chế SVM, dẫn đến đòi hỏi năng lực tính toán lớn của thiết bị điều khiển Việc sử dụng bộ biến đổi ma trận với thuật toán FOC tỏ ra không phù hợp lắm vì bản thân bộ biến đổi ma trận cũng đã

có cấu trúc tương đối phức tạp Do đó tác giá lựa chọn đề tài theo hướng kết hợp thuật toán DTC với bộ biến đổi ma trận (MC), bởi thuật toán này đòi hỏi khối lượng tính toán không lớn Sự kết hợp này tạo ra một hệ truyền động với nhiều ưu điểm như:

- Không đòi hỏi năng lực tính toán quá cao của hệ thống điều khiển

- Phát huy mômen nhanh gần như tức thời

- Làm việc linh hoạt ở cả 4 góc phần tư, trao đổi công suất với lưới theo hai chiều

- Điều chỉnh được hệ số công suất cosφ$1

- Dòng đầu vào sin

Trên thế giới và ngay cả tại Việt Nam, đã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ truyền động “biến tần ma trận – điều khiển trực tiếp mômen” Do chưa có điều kiện thực hành, mục tiêu của bản luận văn này chỉ dừng ở mức mô hình hóa và đánh giá thuật toán điều khiển của hệ truyền động Tuy nhiên trong từng bước thiết kế, tác giả

cố gắng xây dựng các thuật toán, phương trình ở dạng rời rạc, có thể sẵn sàng ứng dụng được trong các hệ điều khiển số sử dụng vi điều khiển, DSP

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ VẤN ĐỀ

CHUYỂN MẠCH CỦA BIẾN TẦN MA TRẬN

2.1 Mô hình toán học biến tần ma trận ([9])

Hình 2.1 Sơ đồ nối dây mạch van Nhìn vào hình 2.1 ta thấy, một pha của động cơ có thể nối với bất kỳ pha nào của phía lưới qua một trong ba khóa xoay chiều Do đó dòng và áp đầu ra sẽ là tổ hợp của dòng và áp đầu vào Cụ thể như sau:

Gọi SKj là trạng thái của một khóa xoay chiều Trong đó:

Với: K = {A,B,C} ở phía lưới; j = {a,b,c} ở phía tải

Cũng nhìn vào sơ đồ trên ta thấy ngay, tại một thời điểm chỉ một trong ba khóa của một nhánh được phép đóng Nếu không sẽ xảy ra hiện tượng ngắn mạch hai pha

phía lưới Đây cũng là vấn đề gây khó khăn nhất cho việc điều khiển chuyển mạch của biến tần ma trận, sẽ được trình bày ở phần tiếp theo Điều kiện hạn chế đó được thể hiện bằng phương trình:

Bằng định luật Kieckhop, ta thiết lập được mối quan hệ giữa các đại lượng dòng,

áp đầu ra theo dòng, áp đầu vào như sau:

- Mối quan hệ giữa điện áp pha phía tải với điện áp pha phía lưới:

- Mối quan hệ giữa dòng điện pha phía lưới và dòng điện phai phía tải:

2.2 Các vector điện áp của Biến tần ma trận ([5])

Các vector không gian điện áp, dòng điện của hệ thống 3 pha được định nghĩa:

- Vector không gian điện áp dây đầu vào và đầu ra:

- Vector dòng điện dây đầu vào và ra:

- Vector không gian điện áp pha có biên độ nhỏ hơn √3 lần và góc pha chậm hơn

300 so với vector không gian điện áp dây

QR _DE 1

Với cấu trúc ma trận 3x3, Biến tần ma trận có tất cả 33 = 27 tổ hợp van khác nhau (hình 2.2) Bảng 2.1 mô tả chi tiếp các tổ hợp van, biên độ và góc pha của các vector không gian điện áp pha đầu ra theo điện áp vào, dòng điện vào theo dòng điện ra

2.2.a Các vector có góc pha cố định

2.2.b Các vector ‘0’

Bảng 2.1 Các tổ hợp van, vector dòng điện vào và điện áp ra tương ứng

2.2.c Các vector quay

Hình 2.2 Sơ đồ nối dây các tổ hợp van của biến tần ma trận

Các tổ hợp van được chia làm 3 nhóm:

- Nhóm I gồm 6 tổ hợp van có 3 pha của tải nối với 3 pha khác nhau của lưới Cách kết nối này khiến vector không gian điện áp đầu ra có cả biên độ và góc pha biến thiên theo lưới, do đó không dùng được cho điều khiển

- Nhóm II gồm 18 tổ hợp van tạo nên vector không gian điện áp đầu ra có biên độ phụ thuộc điện áp lưới, nhưng góc pha cố định, do đó dùng được cho điều khiển

- Nhóm III gồm 3 tổ hợp van tạo nên vector điện áp ‘0’, tương tự như biến tần truyền thống, các vector này cũng được sử dụng trong điều khiển

Các vector trong nhóm 2 và nhóm 3 chia mặt phẳng tọa độ ra làm 6 sector, mỗi sector chiếm một góc 600 (hình 2.3) giống như với biến tần truyền thống Điểm khác biệt ở đây là mỗi vector điện áp tương ứng có tới 3 tổ hợp van để thực hiện Đồng thời biên độ các vector này không cố định mà biến thiên theo điện áp lưới

Hình 2.3 (a): Vector không gian điện áp ra

(b): Vector không gian dòng điện đầu vào

2.3 Vấn đề chuyển mạch trong biến tần ma trận ([3])

Vấn đề chuyển mạch và điều khiển chuyển mạch trong biến tần ma trận phức tạp hơn so với biến tần cổ điển nhiều do không có kho lưu trữ năng lượng trung gian và tải được nối trực tiếp với nguồn qua ma trận van 3x3 Đây cũng chính là vấn đề lớn nhất làm cho biến tần ma trận đến bây giờ mới thực sự thu hút sự quan tâm của công nghiệp mặc dù cơ sở lý thuyết về biến tần ma trận đã được xây dựng từ lâu, đặc biệt là trong các trường hợp dòng điện nhỏ hay thời điểm điện áp dây đầu vào đảo chiều hay muốn thực hiện những thuật toán điều khiển phức tạp

Quá trình chuyển mạch trong biến tần ma trận đòi hỏi phải tuân thủ theo hai nguyên tắc sau:

- Không được ngắn mạch phía lưới, sẽ gây ra xung dòng điện lớn phá hủy van (hình 2.3.a)

- Không được hở mạch phía tải, sẽ gây ra quá điện áp đánh thủng các van bán dẫn (hình 2.3.b)

Hình 2.4 (a): Ngắn mạch phía lưới

Hình 2.5 Sơ đồ mô tả quá trình chuyển mạch

* Nguyên lý của phương pháp chuyển mạch 4 bước như sau:

Giả sử pha A đang dẫn, khi đó cả hai khóa SAa1 và SAa2 đều mở để đảm bảo khả năng dẫn dòng theo hai chiều Giả sử dòng điện đang có chiều như hình vẽ Quá trình chuyển mạch sang pha B sẽ diễn ra theo 4 bước:

- Bước 1: Dựa vào chiều dòng điện để xác định xem van nào trong tổ hợp BDS của pha A đang không dẫn dòng thì khóa van đó lại Trong trường hợp này là SAa2

- Bước 2: Van nào trong tổ hợp BDS ở pha B sẽ dẫn dòng được mở ra Trong trường hợp này là SBa1 Lúc này, nếu VB > VA thì dòng sẽ chuyển từ pha A sang pha B

- Bước 3: Ngắt van đang dẫn ở pha A là SAa1 Dòng tải sẽ chuyển từ pha A sang pha B

Bước 4: Mở van còn lại ở tổ hợp BDS pha B là van SBa2 để đảm bảo dòng điện dẫn theo cả hai chiều Quá trình chuyển mạch hoàn tất

Đồ thị quá trình chuyển mạch như sau:

Hình 2.6 Đồ thị tín hiệu điều khiển chuyển mạch Thời gian td tương đương với thời gian khóa của một IGBT cỡ 1÷2 µs

Phương pháp chuyển mạch 4 bước này đòi hỏi xác định được chiều của dòng tải Khi dòng tải nhỏ có thể gây ra nhầm lẫn trong việc xác định chiều dòng Để tránh nguy

cơ này, người ta thường tạo ra một vùng "gần không", trong đó không cho phép chuyển mạch

Hình 2.7 Logic chuyển mạch 4 bước từ pha A sang B

Bảng 2.2 Các trường hợp chuyển mạch giữa pha A và B

* Mô phỏng khâu chuyển mạch 4 bước bằng stateflow trên Matlab:

Stateflow là ngôn ngữ mô phỏng bằng đồ hình , là một ngôn ngữ mạnh để nghiên cứu và khảo sát các hệ điều khiển phức tạp , chứa phần điều khiển logic ở vòng ngoài

và phần điều chỉnh ở mạch vòng trong Khi sử dụng Stateflow ta có thể có :

- Một mô hình trực quan mô tả các hệ phức tạp dựa trên lý thuyết trạng thái máy hữu hạn (The finite state machine theory)

- Thiết kế và phát triển các hệ điều khiển tiền định

- Thay đổi dễ dàng , thay đổi nhanh chóng, có thể đánh giá và kiểm tra hành vi của hệ thống ở một thời điểm bất kỳ

- Rất tiện lợi tích hợp trong môi trường Matlab và Simulink để mô phỏng và phân tích hệ thống

- Có thể cài đặt từ mô phỏng thành thuật toán điều khiển thực

Stateflow thường dùng ở:

+Hệ nhúng : Hàng không , ôtô , mạng truyền thông , mạng PLC , thương mại, công nghiệp

+ Giao tiếp Người-Máy (MMI)

+ Hệ lai :( Hệ điều khiển dùng DSP + Điều chỉnh + MMI)

Mô hình gồm 3 khối state flow chuyển mạch cho từng pha

Hình 2.8 Mô hình mô phỏng khối chuyển mạch 4 bước

Kết quả mô phỏng: Với chiều dòng IA > 0 ta có kết quả như sau

Hình 2.9 Kết quả mô phỏng khối chuyển mạch 4 bước

2.4 Tình hình nghiên cứu và phát triển biến tần ma trận

Khái niệm biến tần ma trận được Venturini đưa ra lần đầu tiên vào năm 1980, Alesina và Venturini năm 1981 Thuật toán ban đầu đưa ra cho tỷ số truyền áp chỉ là 0,5, sau đó năm 1989 cả hai tiếp tục đưa ra thuật toán cải tiến nâng tỷ số truyền áp lên tới 0,866

Từ những năm 2000, biến tần ma trận được các trung tâm nghiên cứu, các trường đại học, các viện, công ty tập trung nghiên cứu hoàn thiện Trên thế giới đã có thương phẩm đầu tiên năm 2007 do hãng Yaskawa chế tạo loại 6kV trung áp

Tại Việt Nam, biến tần ma trận cũng đã được triển khai và nghiên cứu tại trung tâm triển khai công nghệ cao đại học Bách Khoa Hà Nội từ năm 2004 với các ứng dụng hệ MC trong điều khiển :

CHƯƠNG 3 BIẾN TẦN MA TRẬN VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG

ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN

Trong chương này, tác giả sẽ đi sâu phân tích việc ứng dụng Biến tần ma trận vào

hệ truyền động điều khiển trực tiếp mô men động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc Hệ truyền động này cho phép tận dụng ưu điểm về tính linh hoạt của biến tần ma trận (trao đổi công suất theo cả hai chiều), và khả năng phát huy mô men rất nhanh theo phương pháp DTC

Từ biểu thức tính toán mômen điện từ của động cơ:

mômen điện từ của động cơ, việc đầu tiên cần làm là điều khiển vector từ thông stator

3.1.1 Điều khiển từ thông stator

Dựa vào phương trình điện áp của động cơ trên hệ tọa độ stator, ta có:

Như vậy, bằng cách lựa chọn vector điện áp stator US một cách hợp lý, ta có thể điều khiển được biên độ và chiều quay của vector từ thông stator

Hình 3.1 Sự biến thiên của vector từ thông stator Giả sử động cơ được cấp nguồn bởi một bộ nghịch lưu nguồn áp truyền thống, ta

sẽ có 8 tổ hợp vector điện áp trên hệ tọa độ αβ như hình 3.2 Bằng cách phát hiện vị trí của vector ψS, ta có thể lựa chọn vector điện áp phù hợp để tăng hoặc giảm từ thông Theo cách này, để điều khiển từ thông ta chỉ cần một bộ so sánh 2 vị trí và khâu phát hiện vị trí vector từ thông stator (hình 3.3)

Hình 3.2 Quỹ đạo vector từ thông stator

Δn

n

n Δn

Hình 3.3 Điều khiển từ thông stato bằng khâu so sánh 2 vị trí

3.1.2 Điều khiển mômen

Khi đã điều khiển được vector từ thông stato, có nghĩa là ta đã điều khiển được góc mômen kl Tương ứng, mômen điện từ của động cơ cũng thay đổi theo phương trình (3-1) Hình (3.4) mô tả sự thay đổi góc mômen kl khi vector từ thông stato thay đổi

Tương tự như điều khiển từ thông stator, bộ điều khiển mômen cũng là bộ điều khiển kiểu đặt ngưỡng Tuy nhiên để giảm độ đập mạch của mômen, người ta sử dụng

3 hoặc 4 vị trí (hình 3.5)