Nghiên cứu hệ thống điều khiển trực tiếp mô men động cơ không đồng bộ bằng biến tần đa mức cầu h nối tầng

NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẦU H NỐI TẦNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ .... Nghịch lưu đa mức với phương pháp điều chế vector không gian điều khiển trực tiếp mômen động

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẦU H NỐI TẦNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 4

1.1 Nghịch lưu đa mức 4

1.1.1 Khái niệm 4

1.1.2 Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) 4

1.1.3 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) 6

1.1.4 Cấu trúc cầu H nối tầng (Cascade Inverter) 7

1.1.5 So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng nghịch lưu áp đa bậc trên 10

1.1.6 Nhận xét 11

1.2 Phương pháp điều chế vecto không gian 11

1.3 Điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ 13

1.3.1 Mô tả chung về động cơ không đồng bộ 13

1.3.2 Mô hình động cơ không đồng bộ 14

1.3.3 Điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ 19

1.4 Nghịch lưu đa mức với phương pháp điều chế vector không gian điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ 20

CHƯƠNG 2 NGHỊCH LƯU ĐA MỨC NỐI TẦNG CẦU H ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN 23

2.1 Nghịch lưu nguồn áp ba pha với điều chế PWM, SVM 23

2.1.1 Khái niệm 23

2.1.3 Nghịch lưu nguồn áp ba pha với điều chế PWM 32

2.2 Nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng 37

2.2.1 Khái niệm chung 37

2.2.2 Cấu trúc nghịch lưu đa mức 39

2.3 Phương pháp điều chế (PWM) cho nghịch lưu đa mức cầu H (CHB) 41

2.4 Nguyên lý điều chế SVM cho nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng (CHB) 44

2.4.1 Xây dựng vector không gian của nghịch lưu đa bậc câu H nối tầng 44

2.4.2 Phương pháp điều chế vecto không gian 51

2.4.3 Cân bằng các điện áp một chiều trên tụ 59

2.4.4 Sơ đồ mô phỏng nghịch lưu đa cấp ba pha cầu chữ H có cân bằng điện áp trên các tụ một chiều 61

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NGHỊCH LƯU ĐA MƯC CẦU H ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 65

3.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ 65

3.1.1 Khái niệm chung 65

3.1.2 Nội dung phương pháp điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ 65

3.1.3 Mô hình ước lượng từ thông 71

3.1.4 Mô hình ước lượng momen 71

3.2 Nghịch lưu nguần áp ba pha điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ 71

3.2.1 Qui tắc chọn lựa các vectơ điện áp tối ưu điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ 71

3.2.2 Bộ so sánh có trễ từ thông và momen 72

3.2.3 Bảng chọn lựa vectơ điện áp tối ưu 73

3.3 Ngịch lưu 3 mức cầu H điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ 75

3.3.1 Bộ so sánh có trễ từ thông 3 ngưỡng và momen 4 ngưỡng 75

3.3.2 Bảng chọn lựa vectơ điện áp tối ưu của hệ thống điều khiển trực tiếp

momen – nghịch lưu cầu H 3 mưc 76

3.5 Kết luận 79

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NGHỊCH LƯU CẦU ĐA MỨC H NỐI TẦNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 81

4.1 Sơ đồ cấu trúc của phương pháp điều khiển trực tiếp momen 81

4.2 Xây dựng mô hình điều khiển ĐCKĐB theo phương pháp DTC có mạch vòng điều khiển tốc độ 81

4.3 Sơ đồ mô phỏng nghịch lưu ba pha điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ 82

4.4 Mô hình mô phỏng nghịch lưu 3 mức cầu H điều chế vector không gian điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ 87

4.4.1 Bộ so sánh có trễ từ thông 3 ngưỡng và momen 4 ngưỡng 88

4.4.2 Khối tạo tín hiệu điều khiển 91

4.4.3 Mô hình mạch lực cầu H nối tầng nghịch lưu 3 mức 93

4.4.4 Mô hình ước lượng từ thông 94

4.4.5 Mô hình ước lượng mômen điện từ 94

4.4.6 Khối tính toán phản hồi điện áp 96

4.4.7 Khối tính toán sector 97

4.4.8 Khối động cơ 98

4.4.9 Kết quả mô phỏng 99

4.5 Đánh giá kết quả DTC của nghịch lưu áp 3 pha – nghịch lưu đa mứ cầu H điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ 102

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Mai Văn Chung

Sinh ngày 29 tháng 05 năm 1987

Học viên lớp cao học điều khiển và tự động hóa 2013B – trường đại học Bách khoa Hà Nội

Xin cam đoan: đề tài “Nghiên cứu hệ thống điều khiển trực tiếp mô men

động cơ không đồng bộ bằng biến tần đa mức cầu H nối tầng” do thầy giáo

TS Trần Trọng Minh hướng dẫn là của riêng tôi

“Tôi cam đoan rằng, ngoại trừ các kết quả tham khảo từ các công trình khác như đã ghi rõ trong luận văn, các công việc trình bày trong luận văn này là do chính tôi thực hiện và chưa có phần nội dung nào của luận văn này được nộp để lấy một bằng cấp ở trường này hoặc trường khác”

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Điện áp ra của Bộ nghịch lưu NPC ứng với các trạng thái kích đóng 6

Bảng 1 2 So sánh số linh kiện trong 1 pha của 3 dạng nghịch lưu 11

Bảng 2 1 Bảng giá trị các vector biên chuẩn……… 25

Bảng 2 2 Bảng tổng hợp ma trận A trong mỗi sector 29 nm Bảng 2 3 Trạng thái logic của vector chuẩn trong sector 1 29

Bảng 2 4 Hệ số điều chế cho nhóm nhánh van trên của mạch nghịch lưu 32

Bảng 2 5 Các mức điện của nghịch lưu đa mức với 2 cầu, điện áp một chiều khác nhau U dc,1 = E, U dc,2 =2E 41

Bảng 2 6 Trạng thái van và điện áp ra 45

Bảng 2 7 Các vector tương ứng của các trạng thái đóng cắt 48

Bảng 2 8 Bảng chọn vector trong sector lớn I 57

Bảng 2 9 Bảng xác định hệ số biến điệu và lựa chọn các vector trong các sector 58 Bảng 2 10 Xác định trạng thái van cho vector V1, V4 theo yêu cầu phóng nạp tụ và chiều dòng i a 60

Bảng 3 1 Qui tắc chọn lựa chung các vectơ điện áp tối ưu điều khiển vectơ từ thông stator và momen:……….72

Bảng 3 2 chỉ ra qui luật chọn lựa vectơ điện áp điện áp tối ưu theo vị trí không gian trong hệ toạ DQ và trạng thái logic của hai khâu so sánh trễ 73

Bảng 3 3 Các vector tương ứng của các trạng thái đóng cắt 77

Bảng 3 4 chỉ ra qui luật chọn lựa vectơ điện áp điện áp tối ưu 78

Bảng 4 1 Thông số của động cơ………85

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Diode Clamped Multilevel Inverter – NPC 5

Hình 1 2 Flying Capacitor Multilevel Inverter 6

Hình 1 3 Bộ biến đổi 7 cấp một pha dùng cầu H nối tầng 7

Hình 1 4 Nghịch lưu đa mưc cầu H nối tầng 3 pha 8

Hình 1 5 Cascade Inverter sử dụng bộ nghịch lưu áp ba pha 10

Hình 1 6 Vector không gian điện áp của bộ nghịch lưu 3 mức cầu 12

Hình 1 7 Mô hình động cơ roto rong soc và dây quấn 13

Hình 1 8 Sơ đồ nguyên lý dây quấn động cơ không đồng bộ 14

Hình 1 9 Tương quan trong hệ tọa độ  và hệ tọa độ a,b,c 17

Hình 1 10 Sơ đồ cầu H nối tầng 5 mức 21

Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý biến tần nguồn áp sử dụng IGBT ……… 23

Hình 2 2 Vị trí các vector chuẩn trên hệ tọa độ αβ 26

Hình 2 3 Tổng hợp vector không gian 27

Hình 2 4 Mẫu xung chuẩn trong Sector 1 30

Hình 2 5 Các mẫu xung chuẩn đưa ra trong mỗi Sector 32

Hình 2 6 Mô hình ngịch lưu nguần áp ba pha được mô tả bởi các khóa chuyển mạch 33

Hình 2 7 Sơ đồ điều chế nghịch lưu ba pha 35

Hình 2 8 Kết quả mô phỏng simulink PWM 36

Hình 2 9 Kết quả mô phỏng simulink SVM 37

Hình 2 10 Bộ biến đổi 7 cấp một pha dùng cầu H nối tầng 40

Hình 2 11 Phương pháp điều chế PWM dịch pha cho nghịch lưu 3 cầu H nối tầng 43

Hình 2 12 Nghịch lưu cầu một pha 44

Hình 2 13 Sơ đồ nghịch lưu cầu H 3 mức 47

Hình 2 14 Sơ đồ tương đương nghịch lưu cầu H 3 mức 48

Hình 2 15 Vector không gian điện áp của bộ nghịch lưu 3 mức cầu H 51

Hình 2 16 Tổng hợp vector điện áp ra từ ba vector đỉnh của tam giác 52

Hình 2 17 Ba hệ tọa độ không vuông góc tạo nên các góc phần sáu (các sector) 54

Hình 2 18 Xác định sector 55

Hình 2 19 Xác định vector đầu ra thuộc tam giác con nào trong góc phần sáu thứ nhất 56

Hình 2 20 Cách phân chia tam giác con thông thường 57

Hình 2 21 Mô hình mô phỏng nghịch lưu ba mức ba pha cầu chữ H 61

Hình 2 22 Mạch lực sơ đồ nghịch lưu ba pha cầu chữ H 62

Hình 2 23 Kết quả mô phỏng dạng dòng điện, điện áp của sơ đồ nghịch lưu ba pha, ba mức cầu chữ H 64

Hình 3 1 Trạng thái thay đổi vectơ từ thông……… 68

Hình 3 2 Không gian vetor điện áp stator 69

Hình 3 3 quĩ đạo vectơ từ thông stator 70

Hình 3 4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phương pháp 70

Hình 3 5 Không gian phân chia sector 72

Hình 3 6 Đặc tính làm việc khâu so sánh có trễ 73

Hình 3 7 Qũy đạo từ thông stato 74

Hình 3 8 Đặc tính làm việc khâu so sánh từ thông 3 ngưỡng, momen 4 ngưỡng 75

Hình 3 9 Vector không gian điện áp của bộ nghịch lưu 3 mức cầu H 76

Hình 4 1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phương pháp……….81

Hình 4 2 Sơ đồ điều khiển trực tiếp mômen có mạch vòng tốc độ 82

Hình 4 3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp moment động cơ không đồng bộ 83

Hình 4 4 Mạch vòng tốc độ 83

Hình 4 5 Sơ đồ mô phỏng nghịch lưu cầu 3 pha điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ 84

Hình 4 6 Quỹ đạo từ thông stator hệ nghịch lưu cầu 3 pha điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ 86 Hình 4 7 Đáp ứng tốc độ hệ nghịch lưu cầu 3 pha điều khiển trực tiếp momen

Hình 4 8 Đáp ứng mômen hệ nghịch lưu cầu 3 pha điều khiển trực tiếp momen

đông cơ không đồng bộ 87

Hình 4 9 Sơ đồ mô phỏng nghịch lưu 3 mức cầu H điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ 88

Hình 4 10 Sơ đồ khối xác định từ thông 3 vị trí 89

Hình 4 11 Bảng cài đặt thông số 89

Hình 4 12 Đồ thị khối từ thông 3 vị trí 90

Hình 4 13 Sơ đồ khối momen 4 vị trí 90

Hình 4 14 Đồ thị khối từ thông 4 vị trí 91

Hình 4 15 Sơ đồ khối tạo xung điều khiển 91

Hình 4 16 Sơ đồ khối bảng chọn Vector điện áp điều khiển 92

Hình 4 17 Sơ đồ khối xác định vector điện áp điều khiển 93

Hình 4 18 Sơ đồ khối mạch động lực nghịch lưu 3 mức cầu H 94

Hình 4 19 Sơ đồ khối ước lượng từ thông, Mômen 95

Hình 4 20 Bảng cài đặt thông số của khối ước lượng từ thông, momen 95

Hình 4 21 Sơ đồ chi tiết khối tính toán từ thông momen 96

Hình 4 22 Sơ đồ khối tính toán điện áp phản hồi 97

Hình 4 23 Sơ đồ chi tiết khối tính toán điện áp phản hồi 97

Hình 4 24 Sơ đồ khối xác định sector 98

Hình 4 25 Sơ đồ khối chi tiết khối xác định sector 98

Hình 4 26 Khối động cơ 99

Hình 4 27 Bảng tham số động cơ 99

Hình 4 28 Quỹ đạo từ thông stator của động cơ của hệ ngịch lưu cầu H 3 mức điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ 100

Hình 4 29 Dạng dòng điện startor động cơ của hệ ngịch lưu cầu H 3 mức điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ 100

Hình 4 30 Kết quả mô phỏng dạng đáp ứng momen động cơ của hệ ngịch lưu cầu H 3 mức điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ 101

Hình 4 31 Kết quả mô phỏng dạng momen, độ đập mạch momen của hệ nghịch lưu

3 mức cầu H – điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ 101

MỞ ĐẦU

ĐẶT VẤN ĐỀ

Gần đây, các bộ nghịch lưu nguồn áp đa mức đã được ứng dụng nhiều trong công nghiệp Ưu điểm chính của bộ nghịch lưu đa mức: điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất của bộ nghịch lưu tăng lên, đồng thời công suất tổn hao do quá trình đóng cắt linh kiện cũng giảm theo, với cùng tần số đóng cắt các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu hai mức nên chất lượng điện áp ra tốt hơn Đặc biệt là nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng với khả năng modul, tăng mức điện áp ra ta tăng số cầu H thì sẽ đặc biệt hiệu quả

Điều khiển trực tiếp momen cho động cơ không đồng ba pha là phương pháp điều khiển trực tiếp lên momen điện từ, tốc độ là đại lượng điều khiển gián tiếp Nội dung phương pháp dựa trên tác động trực tiếp của các vectơ điện áp lên vectơ

từ thông móc vòng stator Thay đổi trạng thái của vectơ từ thông stator dẫn đến thay đổi trực tiếp tới momen điện từ của động cơ Điều khiển trực tiếp momen bên cạnh những ưu điểm vẫn còn một số những hạn chế:

* Ưu điểm:

- Không cần biết vị trí rotor, kết cấu đơn giản, thời gian tác động nhanh

- Độ chính xác điều chỉnh là tùy ý (phụ thuộc vào khả năng chuyển mạch của biến tần)

- Môment động cơ phát huy nhanh

mưc là hướng phát triển nhiều triển vọng, nhất là trong giải điện áp cao, công suất lớn

Vì thế, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống điều khiển trực tiếp mô men động cơ không đồng bộ bằng biến tần đa mức cầu H nối tầng” để nghiên cứu

giải quyết những vấn đề trên

Nghịch lưu đa mức cầu H điều chế vector không gian

Thuật toán điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ với bộ điều chỉnh từ thông 3 ngưỡng và momen 4 ngưỡng

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để thực hiện đề tài này, cần kết hợp 2 phương pháp sau:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu quá trình chuyển mạch của các khóa trong các cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc Phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu áp và điều khiển động cơ theo phương pháp điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ Trong đó không mô hình, hóa tuyến sơ đồ, mô hình động

cơ dùng chung cho các động cơ, tính toán từ thông, momen dựa trên số liệu đo: dòng điện, điện áp một chiều

- Phương pháp mô phỏng: mô phỏng thuật toán quá trình điều chế bộ nghịch lưu áp 3 mức sơ đồ cầu H nối tầng; mô phỏng cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ ba theo phương pháp điều khiển trực tiếp Mômen sử dụng bộ nghịch lưu

đa mức cầu H nối tầng bằng phần mềm Matlab - Simulink

CHƯƠNG 1 NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẦU H NỐI TẦNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

CHƯƠNG 2 NGHỊCH LƯU ĐA MỨC NỐI TẦNG CẦU H ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NGHỊCH LƯU ĐA MƯC CẦU H ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NGHỊCH LƯU CẦU ĐA MỨC H NỐI TẦNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Sau thời gian tìm hiểu và nghiên cứu đến nay bản luận văn của tôi đã hoàn thành với kết quả tốt Thành công này phải kể đến sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn điều khiển và tự động hóa, các các thầy, cô tại Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ cao trường Đại Học Bách Khoa Hà

Nội Đặc việt với sự hướng dẫn trực tiếp của thầy TS Trần Trọng Minh, hết

lòng ủng hộ và cung cấp những kiến thức vô cùng quý báu Tôi xin dành cho thầy lời cảm ơn sâu sắc

CHƯƠNG 1 NGHỊCH LƯU ĐA MỨC CẦU H NỐI TẦNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1 Nghịch lưu đa mức

1.1.1 Khái niệm

Sự tiến bộ gần đây nâng cao tính năng của dòng, áp của thiết bị chuyển mạch như IGBT, IGCT, GTO đã thúc đẩy bộ nghịch lưu nguần áp trong lĩnh vực công suất lớn Các bộ nghịch lưu với dòng điện lớn, điện áp cao ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong truyền động xoay chiều, trong truyền tải điện xoay chiều như bộ bù tĩnh (static var compensator)

Cấu trúc chung của bộ nghịch lưu nguần áp nhiều mức (đa mức) là có nghiều

bộ gồm sáu chuyển mạch thông thường trong nghịch lưu ba pha để tổng hợp điện áp hình sin từ một số mức điện áp từ nguần áp của tụ điện Lý do để sử dụng các khóa chuyển mạch này là dòng điện bị phân chia trong các khóa chuyển mạch và cho phép làm việc với công suất định mức lớn hơn công suất từng khóa riêng rẽ

Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc

Có 3 dạng thường được sử dụng trong bộ nghịch lưu áp đa bậc:

- Dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter)

- Dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)

- Dạng ghép tầng cascade (Cascade Inverter)

1.1.2 Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter)

Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC Bộ nghịch lưu đa bậc chứa các cặp diode kẹp có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp Điện áp pha - nguồn DC (phase to pole voltage) có thể đạt được (n+1) giá trị khác nhau và từ đó bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc Ví dụ (như hình 1.10) chọn mức điện

M) nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó (ví dụ D1, D1’) Để điện áp pha - nguồn DC đạt được mức điện áp nêu trên (Uao = U), tất cả các linh kiện bị kẹp giữa hai diode (D1, D1’) - gồm n linh kiện mắc nối tiếp liên tục kề nhau, phải được kích đóng (ví dụ S1, S5’, S4’, S3’, S2’), các linh kiện còn lại phải được khoá theo nguyên tắc kích đối nghịch Tương ứng với sáu trường hợp kích đóng linh kiện bị kẹp giữa sáu cặp diode, ta thu được sáu mức điện áp pha - nguồn DC: 0, 1U, 2U, 3U, 4U, 5U Vì có khả năng tạo ra sáu mức điện áp pha - nguồn DC nên mạch nghịch lưu trên gọi là bộ nghịch lưu 6 bậc Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện

áp tải và giảm shock điện áp trên linh kiện n lần Với bộ nghịch lưu ba bậc, dv/dt trên linh kiện và tần số đóng cắt giảm đi một nửa Tuy nhiên với n > 3, mức độ chịu gai áp trên các diode sẽ khác nhau Ngoài ra, cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn

Hình 1 1 Diode Clamped Multilevel Inverter – NPC

Bảng 1 1 Điện áp ra của Bộ nghịch lưu NPC ứng với các trạng thái kích đóng

1.1.3 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)

Ưu điểm chính của nghịch lưu dạng này là:

- Khi số bậc tăng cao thì không cần dùng bộ lọc

- Có thể điều tiết công suất tác dụng và phản kháng nên hiện được việc điều tiết công suất

- Mỗi nhánh có thể được phân tích độc lập với các nhánh khác Không như nghịch lưu đa bậc dạng NPC khi phân tích phải quan tâm đến cân bằng điện áp ba pha ở ngõ vào

Nhược điểm:

- Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều, dẫn đến giá thành tăng và độ tin cậy giảm

- Việc điều khiển sẽ khó khăn khi số bậc của nghịch lưu tăng cao

1.1.4 Cấu trúc cầu H nối tầng (Cascade Inverter)

Hình 1 3 Bộ biến đổi 7 cấp một pha dùng cầu H nối tầng

E

E

t

Hình 1 4 Nghịch lưu đa mưc cầu H nối tầng 3 pha

Một nghịch lưu đa cấp nối tầng được tạo thành từ một loạt các bộ biến đổi cầu một pha (thường gọi là cầu chữ H), mỗi cầu có một nguồn DC riêng biệt Nghịch lưu này có thể tạo ra dạng sóng điện áp gần như hình sin từ một số nguồn

DC, có thể được lấy từ pin mặt trời, pin nhiên liệu, tụ điện, từ chỉnh lưu với máy biến áp có nhiều cuộn thứ cấp Hình 1.3 cho thấy cấu trúc của một pha của một nghịch lưu M-cấp dùng cầu chữ H nối tầng Mỗi cầu chữ H có thể tạo ra ba cấp điện

áp khác nhau trên đầu ra + Vdc, 0 và Vdc bằng cách kết nối các nguồn DC với đầu

Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba mức điện áp (-U, 0, U) được tạo thành Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức điện áp theo chiều âm (-U, -2U, -3U, -4U, –nU), n khả năng mức điện áp theo chiều dương (U, 2U, 3U, 4U,…nU)

và mức điện áp 0 Như vậy, bộ nghịch lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghịch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghịch lưu (2n+1) bậc

Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n lần

và dv/dt cũng giảm đi như vậy Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57n lần, cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp

Ngoài dạng mạch gồm các bộ nghịch lưu áp một pha, mạch nghịch lưu áp

đa bậc còn có dạng ghép từ ngõ ra của các bộ nghịch lưu áp ba pha Cấu trúc này cho phép giảm dv/dt và tần số đóng ngắt còn 1/3 Mạch cho phép sử dụng các cấu hình nghịch lưu áp ba pha chuẩn Mạch nghịch lưu đạt được sự cân bằng điện áp các nguồn DC, không tồn tại dòng cân bằng giữa các module Tuy nhiên, cấu tạo mạch đòi hỏi sử dụng các máy biến áp ngõ ra

Hình 1 5 Cascade Inverter sử dụng bộ nghịch lưu áp ba pha

Bộ nghịch lưu cầu H nối tầng (CHB) có khả năng modun hóa, vấn đề không câng bằng của điện áp liên lạc một chiều không xẩy ra, do đó có thể mở rộng nhiều mức, tuy nhiên cần phân tách nguần một chiều

1.1.5 So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng nghịch lưu áp đa bậc trên

Bảng 1.2 so sánh số linh kiện được sử dụng trong mỗi pha của 3 dạng nghịch

dạng tụ thay đổi và dạng cascade inverter, trong khi đó tụ cân bằng thì không cần cho dạng diode kẹp và cascade inverter Tóm lại, dạng cascade inverter là sử dụng ít linh kiện nhất

Bảng 1 2 So sánh số linh kiện trong 1 pha của 3 dạng nghịch lưu

1.1.6 Nhận xét

Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc: công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên; điện áp đặt lên các linh kiện bị giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt các linh kiện cũng giảm theo; với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu áp 2 bậc

Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho các tải có thể đạt giá trị tương đối lớn

Với phạm vi luận văn tác giả chỉ tập trung nghiên cứu vào nghịc lưu áp 3 mức sơ đồ cầu H nối tần với mục tiêu xây dựng hệ vector không gian để phục vụ cho điều khiển trực tiếp momen động cơ

1.2 Phương pháp điều chế vecto không gian

Phương pháp điều khiển sáu bước (six step) tạo nên sự dịch chuyển nhảy cấp tuần hoàn của vector không gian giữa sáu vị trí đỉnh của hình lục giác Điều này làm quá trình điện áp pha tải nghịch lưu hình thành chứa nhiều thành phần sóng hài bậc cao Hệ quả là quỹ đạo vector không gian bị biến đổi về pha và biên độ so với trường hợp áp ba pha tải dạng sin Mặt khác, phương pháp điều chế độ rộng xung

dạng sin dù tạo ra điện áp pha tải gần dạng sin nhưng chỉ có thể đảm bảo phạm vi điều khiển tuyến tính thành phần điện áp cơ bản của pha tải đến biên độ Ud /2

Phương pháp điều chế vector không gian khắc phục các nhược điểm của hai phương pháp nêu trên

Ý tưởng của phương pháp điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục của vector không gian tương đương trên quĩ đạo đường tròn của vector điện áp bộ nghịch lưu, tương tự như trường hợp vector không gian của đại lượng sin ba pha tạo được Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quĩ đạo tròn, các sóng hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển

và biên độ áp ra trở nên tuyến tính Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong thời gian một chu kì lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu

áp Điều chế vector không gian cho sơ đồ nghịch lưu đa mức sẽ tạo ra đầu ra các mức điện áp khác nhau phụ thuộc vào số mức: 3 mức, 5 mức….Khi biểu diễn các vector điện áp đầu ra trên mặt phẳng ta sẽ được các nhóm vector khác nhau Hình 1.6 vẽ biểu diễn vector điện áp ra cho nghịch lưu cầu H 3 mức nối tầng

1.3 Điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ

1.3.1 Mô tả chung về động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ ba pha là máy điện quay không đồng bộ ba pha Về cấu tạo, động cơ không đồng bộ ba pha gồm hai phần chính là phần tĩnh hay là stato

và phần động hay là rôto Stato thường gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120° trong không gian

Rôto phân làm 2 loại chính: rôto dây quấn và rôto lồng sóc Rôto dây quấn là kiểu rôto có dây quấn giống ở stato, dây quấn rôto được đặt và các rãnh của lõi sắt rôto Còn rôto lồng sóc thì không dùng dây quấn mà dùng các thanh dẫn bằng đồng hay nhôm, các thanh dẫn này được nối ngắn mạch với nhau

Hình 1 7 Mô hình động cơ roto rong soc và dây quấn

Động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất Ưu điểm nổi bật của loại động cơ này là cấu tạo đơn giản đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc; so với động cơ một chiều động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn Ngoài ra động cơ không đồng bộ có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha nên không cần bộ biến đổi như động cơ điện 1 chiều Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điểu chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn; riêng với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc thì các chỉ tiêu khởi động xấu hơn

A

ĐC

R2f R2f R2f

1.3.2 Mô hình động cơ không đồng bộ

a Mô hình động cơ không đồng bộ trong không gian 3 pha

Quy ước: A,B,C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rôto và a,b,c chỉ thứ tự các cuộn dây stato

Giả thiết:

- Cuộn dây stato, rôto đối xứng 3 pha

- Dây quấn stato được bố trí sao cho từ thông khe hở có phân bố dạng hình sin dọc theo chu vi khe hở không khí

- Tham số không đổi

- Mạch từ chưa bão hoà

- Khe hở không khí ô đồng đều

- Nguồn 3 pha cấp hình sin và đối xứng (lệch pha góc 2JI/3)

- Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuôn dây k như sau:

Trong động cơ KĐB, có ít nhất 6 cuộn dây trên mạch từ, phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn như sau:

Trong đó: k là tên của dây quấn

Nếu coi mạch từ là tuyến tính và bỏ qua tổn hao sắt thì Mđiện từ của động cơ là:

M =

1

k k k

i t





Để đơn giản trong khi viết, coi động cơ có hai cực (p' = 1)

Trong đó các chỉ số bằng chữ th-ờng a, b, c chỉ các dây quấn pha stato, các chỉ số bằng chữ hoa A, B, C chỉ các dây quấn pha rô to, góc lệch giữa dây quấn rô to

và dây quấn stato là  thì tốc độ là đạo hàm theo gúc lệch này,  = d

Ra = Rb = Rc = Rs ; RA = RB = RC = Rr

Laa = Lbb = Lcc = Ls1 LAA = LBB = LCC = Lr1 (1.5)

Lab = Lbc = Lca = - Ms LAB = LBC = LCA = - Mr

Với : Ls1, Lr1: điện cảm tự cảm của từng dõy quấn stato, rụto

Ms,Mr : hỗ cảm giữa cỏc dõy quấn stato, giữa cỏc dõy quấn rụto với nhau Hỗ cảm giữa dõy quấn stato với dõy quấn rụ to phụ thuộc vào gúc lệch khụng gian giữa hai dõy quấn này Hỗ cảm giữa hai dõy quấn cựng pha ở stato sẽ đạt cực đại khi trục của hai dõy quấn trựng nhau, tương ứng lỳc đú cú điện cảm hỗ cảm M:

LaA = LAa = LbB = LBb = LcC = LCc = M.cos (1.6)

Hỗ cảm giữa hai dõy quấn khỏc pha ở rụ to và stato được tớnh đến khi cỏc dõy quấn lệch pha nhau một gúc 2/3 trong khụng gian

LaB = LBa = LbC = LcB = LcA = LAc = M.cos( + 2/3) (1.7)

cos cos( 2 / 3) cos( 2 / 3)

cos( 2 / 3) cos( 2 / 3) cos

Các phương trình này là các phương trình phi tuyến và có hệ số biến thiên theo theo thời gian vì điện cảm Lm phụ thuộc vào góc quay:

 = o + ( )t dt (1.12) Ngay cả ở chế độ xác lập,  = const thì hỗ cảm giữa stato và rô to cũng biến thiên có chu kỳ

Kết luận: nếu mô tả toán học như trên thì rất phức tạp nên cần đơn giản hóa bớt đi Tới năm 1995 Kôvacs (Liên xô) đề xuất phép biến đổi tuyến tính không gian vecto và park (Mỹ) đưa ra phép biến đổi d,q

b Phép biến đổi tuyến tính vecto không gian

Trong máy điện ba pha thường dùng cách chuyển các vị trí tức thời của điện

áp thành vecto không gian Lấy một mặt cắt động cơ theo hướng vuông góc với trục

và biểu diễn từ thông không gian thành mặt phẳng Chọn trục thực của mặt phẳng trùng với trục pha a

Im

Trục cuộn dây pha u Trục chuẩn

Trục cuộn dây pha w

Trục cuộn dây pha v

0 0

Véc tơ dòng điện không gian is có thể xác định được nếu biết ba véc tơ dòng điện pha (ia, ib, ic)

Phép biến đổi ba pha (a,b,c) thành 2 pha ( ,  ) được gọi là phép biến đổi thuận còn phép biến đổi từ 3 pha thành 2 pha gọi là phép biến đổi ngược

Các phương trình chuyển hệ tọa độ:

dt t

1.3.3 Điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ

Điều khiển trực tiếp momen cho động cơ không đồng ba pha là phương pháp điều khiển trực tiếp lên momen điện từ, tốc độ là đại lượng điều khiển gián tiếp Nội dung phương pháp dựa trên tác động trực tiếp của các vectơ điện áp lên vectơ từ thông móc vòng stator Thay đổi trạng thái của vectơ từ thông stator dẫn đến thay đổi trực tiếp tới momen điện từ của động cơ Các vectơ điện áp được chọn lựa dựa trên sai lệch của từ thông stator và momen điện từ với các giá trị đặt Tuỳ thuộc vào trạng thái sai lệch của từ thông và momen điện từ, một vectơ điện áp tối ưu đã định

trước được chọn để điều chỉnh đại lượng về đúng với lượng đặt Đây là phương pháp điều khiển đơn giản, ít phụ thuộc vào các thông số động cơ, đáp ứng momen nhanh, linh hoạt nó có một số ưu nhược điểm như sau:

* Ưu điểm :

- Ít phụ thuộc vào tham số máy điện, chủ yếu là điện trở dây quấn stator

- Không sử dụng bộ điều khiển dòng điện và bộ điều biến độ rộng xung

- Không cần biết vị trí rotor, kết cấu đơn giản, thời gian tác động nhanh

- Độ chính xác điều chỉnh là tùy ý (phụ thuộc vào khả năng chuyển mạch của biến tần)

- Mô moment động cơ phát huy nhanh

ly để cung cấp cho cầu H một pha Như hình vẽ 1.23 sơ đồ cấu trúc nghịch lưu cầu

H nối tầng 5 mức(5L- CHB) Điện áp một chiều cung cấp cho cầu H một pha

thường do mạch chỉnh lưu Diot tạo ra

Hình 1 10 Sơ đồ cầu H nối tầng 5 mức

DTC kết hợp với nghịch lưu đa mức sẽ khắc phục được một số nhược điểm của nghịch lưu áp thông thường Ở nghịch lưu áp ba pha thông thường, vecto điện

áp ba pha được chia ra sáu phần và theo quy luật định trước ta chọn một trong sáu vetor điện áp được chọn Chính vì vậy ở vùng tốc độ thấp đối với nghịch lưu 3 pha thông thường phương pháp DTC cho momen tác động nhanh(gần như ngay lập tức) nhưng lại có độ đập mạch momen lớn Ở nghịch lưu đa mức không gian vecto ba pha được chia thành mười hai phần bằng cách tạo ra các vecto ảo với các nhóm khác nhau: Vecto điện áp lơn, vecto điện áp trung bình… vecto điện áp nhỏ Khi kết hợp khả năng cho nhiều vector điện áp ra của nghịch lưu đa mức được lựa chọn cùng với điều khiển trực tiếp momen sẽ giúp giảm thiểu độ đập mạch của momen

và tần số đóng cắt của van bán dẫn Khi đó sẽ phát huy được ưu điểm của điều khiển trực tiếp momen là đơn giản cùng với ưu điểm của nghịch lưu đa mưc là hướng phát triển nhiều triển vọng, nhất là trong giải điện áp cao, công suất lớn

Với đề tài, tác giả chọn sơ đồ nghịch lưu cầu H 3 mức điều chế vector không gian điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ để nghiên cứu Qua nghiên cứu, tính toán sơ đồ nghịch lưu cầu H 3 mức với không từ thông 3 ngưỡng, momen

4 ngưỡng thì đã đáp ứng tốt yêu cầu của điều khiển trực tiếp momen động cơ không

đồng bộ Việc xây dựng vector không gian của nghịch lưu đa mức cầu H 3 mức sẽ được trình bày cụ thể ở chương 2

CHƯƠNG 2 NGHỊCH LƯU ĐA MỨC NỐI TẦNG CẦU H ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN

2.1 Nghịch lưu nguồn áp ba pha với điều chế PWM, SVM

2.1.1 Khái niệm

Bộ nghịch lưu nguồn áp có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn một chiều sang dạng năng lượng xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Bộ nghịch lưu áp là một bộ nghịch lưu có nguồn một chiều cấp là nguồn áp và đối tượng điều khiển ngõ ra là điện áp

Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được nuôi bởi biến tần nguồn áp Các van bán dẫn được sử dụng là IGBT IGBT là van bán dẫn thông minh, kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của tranzito, bằng các phương pháp điều chế độ rộng xung hoặc PWM, IGBT có thể được bật tắt theo trình tự giống với sóng dạng sin, tạo ra các tín hiệu điều khiển tốc độ và momen của động cơ

Dưới đây là mô hình minh họa biến tần nguồn áp sử dụng van bán dẫn IGBT điều khiển động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

2.1.2 Nghịch lưu nguồn áp ba pha với điều chế vector không gian - SVM (Space Vector Modulation)

Phương pháp điều chế vector không gian đang ngày càng được sử dụng rộng rãi Đây là phương pháp biến điệu hoàn toàn sử dụng kĩ thuật số, có độ chính xác cao, dễ dàng thực hiện trên các hệ thống xử lý tín hiệu số

a Cơ bản về vector không gian

Một hệ thống điện áp hay dòng điện ba pha luôn bao gồm 3 thành phần áp

u u u a; b; c hoặc dòng điện i i i có thể được biểu diễn trên mặt phẳng tọa độ a; ;b c0αβ như sau :

2cos

32cos

Như vậy vector u trong hệ tọa độ 0αβ là vector có độ lớn bằng U và quay

với vận tốc góc bằng  quanh gốc tọa độ

b Trạng thái van của các vector chuẩn

Đối với nghịch lưu nguồn áp ba pha, điện áp trên tải là hệ thống ba pha đối xứng

Do đó, ta có thể mô tả hệ thống bởi vector không gian u ứng với mỗi 1/6 chu kì điện

Do đó ta thu được 8 vector điện áp cố định- gọi là 8 vector biên chuẩn như sau:

Bảng 2 1 Bảng giá trị các vector biên chuẩn

Ta thấy các vector chuẩn u1 ,u2 ,u3 ,u4 ,u5 ,u6  đều có độ lớn là 2 3U dc

và lệch nhau một góc  3 , 2 vector không còn lại u0 ,u7  có biên độ bằng không Từ các cặp vector biên chuẩn này, không gian vector chia làm 6 sector đều nhau có độ mở là  3

2 30

c Tổng hợp các vector điện áp từ các vector biên chuẩn

Vector điện áp u có thể nằm bất kỳ trong các sector trên hệ tọa độ s  Ta cần xác định được vị trí của vector điện áp này trên hệ tọa độ,sau đó xác định thời gian thực hiện của hai vector chuẩn tổng hợp nên vector điện áp u Thời gian còn s lại của chu kì điều chế chính là thời gian thực hiện của các vector không

l u

u  k u  l u

Hình 2 3 Tổng hợp vector không gian

Xác định thời gian thực hiện các vector biên chuẩn được thực hiện như sau: Gọi u u là hai vector chuẩn trong mỗi sector n, m

Trong trường hợp cụ thể, ví dụ vector điện áp u nằm trong sector 1, s u được s

biểu diễn theo 2 vector chuẩn u u Theo (2.7) vector điện áp 1, 2 u được viết lại như s

Bảng 2 2 Bảng tổng hợp ma trận A trong mỗi sector nm

Xét ví dụ trong sector 1, có các vector chuẩn u u và 1, 2 u u 0, 7

Bảng 2 3 Trạng thái logic của vector chuẩn trong sector 1

1

u u2 u7 u0 Pha a 1 1 1 0 Pha b 0 1 1 0 Pha c 0 0 1 0

Như vậy nếu trạng thái cuối cùng của chu kỳ trước tương ứng với vector chuẩn u thì trình tự thực hiện để đảm bảo các van bán dẫn trong mạch nghịch lưu 0

ít chuyển mạch nhất sẽ là: u0  u1 u2 u7 Và nếu trạng thái cuối cùng của chu

kỳ trước tương ứng với vector chuẩn u thì trình tự thực hiện để đảm bảo các van 7

bán dẫn trong mạch nghịch lưu ít chuyển mạch nhất sẽ là: u7 u2  u1 u0 Ta

có mẫu xung đưa ra trong sector 1:

S1 S3 S5 S4 S6

S2

Sector 1

Hình 2 4 Mẫu xung chuẩn trong Sector 1

Từ mẫu xung chuẩn trong Sector 1 ta tính ra hệ số điều chế của từng van bán dẫn của mạch nghịch lưu trong mỗi chu kỳ điều chế Đối với nghịch lưu nguồn áp

ba pha ta chỉ cẩn tính hệ số điều chế của các cặp van bán dẫn ở nhánh trên

V V V , các trạng thái của nhánh van dưới 1, 3, 5 V V V sẽ được xác định dựa vào 4, 6, 2các nhánh van trên

242

Tương tự ta đưa ra mẫu xung chuẩn trong các Sector còn lại và bảng tính tổng hợp

hệ số điều chế cho nhóm van trên của mạch nghịch lưu mỗi chu kỳ điều chế:

Sector 4