Thiết kế biến tần nguồn áp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Thiết kế biến tần nguồn áp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Thiết kế biến tần nguồn áp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Thiết kế biến tần nguồn áp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

bộ giáo dục và đào tạoTRƯờNG ĐạI HọC bách khoa Hà Nội

bộ giáo dục và đào tạoTRƯờNG ĐạI HọC bách khoa Hà Nội

  

đỗ huy hoàng

thiết kế biến tần nguồn áp cho động cơ không đồng bộ

xoay chiều ba pha

Luận văn thạc sĩ khoa học

Người hướng dẫn khoa học:

ts võ minh chính

Hà Nội - 2008

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu trong bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của cá nhân, không sao chép từ bất kỳ nguồn tài liệu nào khác

TÓM TẮT NỘI DUNG BẢN LUẬN VĂN

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật chế tạo và kỹ thuật điện tử bán dẫn, kỹ thuật vi điều khiển, kỹ thuật xử lý tín hiệu số, động cơ không đồng bộ ba pha

đã được ứng dụng hầu hết mọi nơi trong công nghiệp thay thế dần cho động

cơ một chiều Đặc biệt với sự kết hợp với các bộ biến tần, hệ truyền động biến tần – động cơ đã được chấp nhận trong các hệ truyền động yêu cầu chất lượng cao Có rất nhiều thuật toán điều khiển hiện đại dựa trên nguyên lý thay đổi tần số nguồn cấp Nội dung bản luận văn đi vào phân tích hệ biến tần nguồn

áp sử dụng luật điều khiển U/f = const Ưu điểm của bộ biến tần là cho phép điện áp đầu ra chất lượng tốt, chứa ít các thành phần sóng hài bậc cao do sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung Hai phương pháp điều chế độ rộng xung tiêu biểu là điều chế sin PWM và điều chế vectơ không gian So sánh với Sin PWM, điều chế vectơ không gian PWM có những đặc điểm nổi trội hơn hẳn cho chất lượng điện áp đầu ra cao, cấu trúc hệ điều khiển đơn giản phù hợp các hệ điều khiển số Hệ biến tần nguồn áp được xây dựng dựa trên mô hình biến tần gián tiếp sử dụng kỹ thuật điều chế vectơ không gian Hệ điều khiển

sử dụng vi điều khiển dsPIC30F4011 thực hiện tính toán, điều khiển đóng

mở các van IGBT của bộ biến tần Đây là vi xử lý mạnh 16 bit được tích hợp sẵn các chức năng điều khiển PWM, chức năng ADC, tốc độ xử lý nhanh phù hợp với yêu cầu tính toán Kết quả thử nghiệm cho thấy dạng điện áp ra có dạng hình sine vuông, dạng sóng dòng điện ra có dạng sin Có thể nhận xét về tính đúng đắn của lý thuyết cũng như chất lượng của tín hiệu điện áp ra, thành phần bậc cao gần như rất ít, động cơ hoạt động ổn định Nội dung bản luận văn đi sâu vào nghiên cứu lý thuyết để làm sáng rõ thêm nội dung đồng thời phần xây dựng thực nghiệm cũng gợi mở thêm hướng phát triển nghiên cứu các hệ truyền động biến tần chất lượng cao hơn

ABTRACT

On the developing of manufacturing technical, power electronic devices, programabe controllers and digital signal processing, AC three – phase Induction motor is used in many aplication in industry to replace DC motor Especilly, when AC motor is used with inverter, it is accepted in high quality motion There are many law to control inverter base on frequency – changing technical Score of this thesis is sudy about voltage source inverter with U/f = const law control Quality of output voltage is good High frequency harmonic is less Now adays, every inverter uses PWM technical to invert DC voltage to AC voltage There are two typical PWM methods, SPWM and Space vector PWM Space vector PWM is more remakable because of many good characterics, form with digital control system so voltage inverter system

in this thesis use Spave vector PWM tecnical combine with dsPIC30F4011

microcontroller to cacualtion and control IGBT devices This is 16bit microcontroller which combine PWM output, ADCs and has a high speed caculation It is formed with requirement The result of output voltage is good, the shape of output voltage is square sine wave, the shape of output current is sine wave So we can find the correction of control theory Score of this thesis is study theory of voltage inverter and build practice system and open a new ideal to study and develope high quality speed control system I want to say thankfull to my teacher : Dr Vo Minh Chinh, my parents, my classmate who help me all the time to finish this thesis

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ 8

LỜI NÓI ĐẦU 9

CHƯƠNG 1:ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠKHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 11

1.1 Giới thiệu chung 11

1.1.2 Nguyên lý hoạt động 13

1.1.3 Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ 14

1.1.4 Mô hình vectơ không gian của động cơ không đồng bộ ba pha 15

1.2 Hệ truyền động động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 18

1.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp 19

1.3.1 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp 20

1.3.2 Phương pháp điều khiển vô hướng 21

CHƯƠNG 2:HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ 28

2.1 Hệ biến tần bán dẫn 28

2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM: 29

2.2.1 Điều chế Sin PWM 30

2.2.2 Điều chế vectơ không gian PWM 33

2.2.3 So sánh phương pháp PWM thông thường và PWM điều chế vectơ không gian 39

2.4 Xây dựng cấu trúc hệ biến tần – động cơ 40

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ TÍNH CHỌN CÁC VAN ĐỘNG LỰC CHO BỘ BIẾN TẦN NGUỒN ÁP 43

3.1 Yêu cầu chung : 43

MỤC LỤC

3.2 Sơ đồ mạch lực 43

3.2.1 Tính chọn các van cho bộ biến tần: 44

CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 47

4.1 Khái quát chung bộ điều khiển tín hiệu số dsPIC30F4011 47

4.2 Tính chọn thiết bị phụ trợ mạch điều khiển 59

4.2.1 Tính chọn mạch cách ly: 59

4.2.2 Mạch đệm đóng mở IGBT : 59

4.2.3 Mạch đo lường điện áp một chiều 59

CHƯƠNG 5 : GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 61

5.1 Giải thuật chương trình điều khiển 61

5.1.1 Giải thuật chương trình chính: 61

5.2 Giải thích giải thuật chương trình chương trình 64

5.2.1 Chương trình chính 64

5.2.2.Khối ngắt ADC: 64

5.3 Kết quả thực nghiệm 65

DA NH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha 13

Hình 1.2 Đặc tính cơ động cơ ĐCKĐB 14

Hình1.3: Sơ đồ khối luật điều khiển U/f =const 23

Hình 1.5 Quan hệ điện áp – tần số có bù thành phần rơi trên điện trở 25

Hình 1.6 Đặc tính cơ điều khiển vô hướng giữ từ thông khe hở không đổi 26 Hình 2.1 Cấu trúc bộ biến tần nguồn áp 29

Hình 2.2 Nguyên tắc điều chế độ rộng xung SPWM ba pha 30

Hình 2.3 Dạng sóng điện áp pha - điện áp dây điều chế theo phương pháp SPWM 31

Hình 2.4 Dạng sóng điện áp điều chế theo phương pháp SPWM khi m>1 32 Hình2.6 Vector chuẩn và phân chia sector 34

Hình 2.7 Phân tích vectơ điện áp chuyển mạch theo các vectơ không gian 35 Hình 2.8 Luật điều khiển SV PWM 37

Hình 2.9 Giản đồ phân phối xung điều khiển vectơ điện áp 39

Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc hệ biến tần nguồn áp – động cơ 40

Hình 4.1 : Sơ đồ chân dsPIC30F4011 48

Hinh 4.2 Cấu trúc CPU 52

Hinh 4.3 Sơ đồ khối MCPWM module 56

Hình 4.4 Sơ đồ khối của module ADC trong dsPIC30F4011 57

Hình 5.1 Quan hệ điện áp – tần số 64

Hình 5.2 Bàn thử nghiệm 65

Hình 5.3 Dòng điện pha A 65

Hình 5.4 Dòng điện pha B 66

Hình 5.5 Dạng điện áp dây đầu ra UAB 66

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ không đồng bộ ngày càng được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp do những đặc tính nổi trội Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, các bộ điều khiển vi xử lý tốc độ tính toán cao là sự ra đời của các thiết bị biến tần càng làm cho động cơ không đông bộ ba pha đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu khắt khe của các hệ truyền động chất lượng cao thay thế dần cho các động cơ một chiều có chổi than, tốc độ động cơ được điều chỉnh trơn, đặc tính cơ cứng vững, hiệu suất sử dụng năng lượng cao

Bản luận văn tốt nghiệp có tên : Thiết kế bộ biến tần nguồn áp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha” Các vấn đề nghiên cứu và

được chia làm năm chương :

Chương I : “ Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha ” mô

tả cấu trúc, các đặc tính cơ, mô hình toán học của động cơ, các phương pháp điêu khiển tốc độ đồng thời đi sâu vào nghiên cứu phương pháp điều khiển vô hướng theo luật tỉ số điện áp đặt và tần số động cơ không đổi có bù ở vùng tần

số thấp để ổn định momen

Chương 2 : “ Hệ truyền động biến tần – động cơ” xây dựng cơ sở

khái quát về các mô hình biến tần, phân tích kỹ thuật điều chế độ rộng xung thông thường và kỹ thuật điều chế vectơ không gian, so sánh ưu nhược điểm

để chọn lựa xây dựng mô hình biến tần thử nghiệm,

Chương 3 : “ Thiết kế tính chọn các van động lực cho bộ biến tần nguồn áp “ tính toán chọn lựa các thành phần cơ bản trong mạch lực của bộ

biến tần

Chương 4 : “ Thiết kế mạch điều khiển cho bộ biến tần động cơ không đồng bộ ba pha”, chọn lựa mô hình hệ điều khiển, các linh kiện trong

mạch điều khiển

Chương 5 : “ Giải thuật chương trình điều khiển kết quả thực nghiệm “ trình bày thuật toán điều khiển bộ biến tần nguồn áp thực hiện điều

chế vectơ không gian theo luật U/f = const Đưa ra kết quả thực nghiệm thực

tế để thể hiện tính đúng đắn của phương pháp

Tôi xin chân thành cảm ơn thày giáo hướng dẫn : PGS TS Võ Minh Chính cùng các bạn bè, người thân đã giúp đỡ, động viên nhiệt tình giúp tôi hoàn thành bản luận văn Do thời gian hoàn thành bản luận văn ngắn đồng thời khả năng cá nhân còn hạn chế bản luận văn nhằm mục đích làm ró cơ sở

lý thuyết nên chắc chắn còn nhiều thiếu sót Mong có sự góp ý để tiếp tục

hoàn thành ứng dụng vào thực tế

Hà nội, ngày tháng năm 2008

Học viên

Đỗ Huy Hoàng

CHƯƠNG 1 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều làm việc trên

nguyên lý hiện tượng cảm ứng điện từ Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và vận

hành làm cho động cơ không đồng bộ có những ưu điểm nổi bật và được sử

dụng rộng rãi trong công nghiệp

Hệ điều khiển tự động truyền động điện có sử dụng động cơ không đồng

bộ ba pha là hệ điều chỉnh có nhiều tham số phi tuyến, từ thông và mômen

điện từ phụ thuộc vào các tham số động cơ Trước đây, do khó tạo ra các bộ

truyền động chất lượng cao động cơ không đồng bộ thường kém ưu thế so với

động cơ một chiều Cùng với sự phát triển của các phương pháp điều khiển

mới, kỹ thuật điện tử tin học, các linh kiện bán dẫn công suất, động cơ không

đồng bộ dần phát huy hết các ưu điểm của mình Nó trở thành hệ truyền động

cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động động cơ một chiều ở cấp độ các hệ

truyền động chất lượng cao

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Cấu tạo

Động cơ không đồng bộ ba được cấu tạo gồm hai phần :

Phần tĩnh: gồm vỏ máy, lõi sắt và dây quấn stator

• Vỏ máy: thường làm bằng gang, đối với máy có công suất lớn ( > 1000kW), thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ Vỏ máy có tác

dụng tạo nên phần kết cấu cho máy, để tản nhiệt và không dùng để dẫn

từ

• Lõi sắt: Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0.35÷0.5mm ghép lại Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường xoay chiều nên để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên thì các lá thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện Các lá thép được dập rãnh

để đặt dây quấn

• Dây quấn: được đặt vào các rãnh của lõi sắt và cách điện tốt với lõi sắt Dây quấn stator gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120 độ điện

• Phần quay: gồm lõi sắt, dây quấn rotor và trục

• Trục: làm bằng thép, dùng để đỡ lõi sắt rotor Trên trục còn có các chi tiết như quạt làm mát, ổ đỡ…

• Lõi sắt: Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở phần stator Lõi sắt được ép trực tiếp lên trục Lõi sắt cũng có rãnh để đặt dây quấn

• Dây quấn:

- Loại rotor kiểu dây quấn: dây quấn rotor cũng có 3 pha như ở stator và thường nối sao, ba đầu ra nối với ba vành trượt bằng đồng, cố định trên trục rotor và được cách điện với trục Nhờ ba chổi than tỳ vào ba vành trượt này, dây quấn rotor được nối với ba biến trở bên ngoài, để mở máy hay điều chỉnh tốc độ

- Loại rotor kiểu lồng sóc: Mỗi rãnh của lõi sắt được đặt một thanh dẫn bằng đồng hoặc đúc nhôm và được nối tắt ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch bằng đồng hoặc nhôm, làm thành một cái lồng mà người ta gọi là lồng sóc Dây quấn rotor kiểu lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt

Hình 1.1 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Đặc trưng riêng của động cơ không đồng bộ là tốc độ đầu trục động cơ nhỏ hơn so với tốc độ từ trường quay Quan hệ này được biểu diễn bởi hệ số trượt:

1

1

n

n n

p: số đôi cực

1.1.3 Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ

Đặc tính cơ thể hiện mối quan hệ giữa mômen và tốc độ của động cơ n=f(M) Phương trình đặc tính cơ:

] ) ' (

)

' [

' 3

2 2 1

2 2 1

1

2

2 1

X X s

R R s

R U M

+ +

U1 : điện áp pha cung cấp động cơ

R1 : điện trở pha stator

• ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ:

- ảnh hưởng điện trở, điện kháng mạch stator

- ảnh hưởng điện trở mạch rotor

- ảnh hưởng của suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ

- ảnh hưởng của thay đổi tần số lưới cấp cho động cơ

1.1.4 Mô hình vectơ không gian của động cơ không đồng bộ ba pha

Để tiện cho việc xây dựng các thuật toán điều khiển, các phương trình động học được xây dựng trên cơ sở vectơ không gian Do cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian, sự móc vòng từ thông giữa các mạch từ, ta cần đưa ra một số giả thiết trước khi xây dựng các phương trình động học:

1 Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian

2 Bỏ qua các tổn hao sắt từ và bão hoà từ

3 Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ

4 Các giá trị điện cảm, điện trở là bất biến theo theo thời gian và như nhau trên các pha

dt

t d t i R t u

dt

t d t i R t u

sc sc

s sc

b sb

s sb

sa sa

s sa

)()

()

(

)()

()

(

)()

()

(

ψ ψ ψ

Trong đó :

Rs điện trở cuộn dây pha stator

Ψsa , Ψsb , Ψsc từ thông stator của các cuộn dây pha a, b, c

1.2 (a)

1.2 (b)

1.2 (c)

Phương trình điện áp trên ba cuộn dây roto:

dt

t d t i R

dt

t d t i R

rc rc

s

rb rb

r

ra ra

r

)()

(0

)()

(0

)()

(0

ψ ψ ψ

Trong đó :

Rr điện trở cuộn dây pha rotor

Ψra , Ψrb , Ψrc từ thông rotor của các cuộn dây pha a, b, c

Sử dụng phép biến đổi Park, khảo sát các đại lượng điện từ trong hệ toạ

độ hai pha cố định DQ ( hệ toạ độ αβ ) Phương trình điện áp stator và rotor của động cơ không đồng bộ ba pha :

dt

d R i u

s s s

s s

s s

) ( )

( )

( )

(

s r r

s

dt

d R

i + ψ − ω ψ

= (1.5)

Trong đó :

) ( ) (

)

(

,, s s s s

s

s i

u ψ vectơ điện áp pha, dòng điện, từ thông móc vòng stator

) ( ) (

)

(

,, r s r s

s u

s i

r u

r i

Phương trình quan hệ từ thông stator và rotor :

+

=

+

= +

+

=

m s s r

s r m s s m r

s r s r

m s r s

s s m s r m s

s s s s

L i L i L i L L i

L i L i L i L L i

) )

) ( )

)

) )

) )

)

) (

) (

Lm hỗ cảm giữa stator và rotor

Lσs điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator

Lσr điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor

1

m s r r

m s s

L

L L

ψ

(1.10) Thay (1.9) và (1.10) vào (1.4) và (1.5)

+

=

)(

10

)(

(

m s r r

m s r r

m s

s s

s s

L i L

L i L

L L i dt

d R i u

ψ

ψ

(1.11.a-b)

Tới đây ta định nghĩa thêm:

Ts = Ls / Rs hằng số thời gian stator

Tr = Lr / Rr hằng số thời gian rotor

σ = 1- Lm2/ (LsLr) hệ số tiêu tán tổng

=

++

=

dt

d j

T T

L i

dt

d L

L dt

di L R

i u

r r

r r

m s

r r

m s s s

s s

ψ ϖ

ψ

ψ σ

)

1(

.2

3).(

.2

3

r r s

s

m = ψ ∧ = ψ ∧

Phương trình chuyển động

dt

d p

J m

1.2 Hệ truyền động động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Do những ưu điểm nổi bật kết cấu đơn giản, vận hành dễ dàng, phù hợp với lưới điện sẵn, động cơ không đồng bộ ba pha được ứng dụng rộng rãi Nhờ sự phát triển của kỹ thuật điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật điều khiển tốc độ tốc độ động cơ không đồng bộ đã ứng dụng cho các hệ truyền động chất lượng cao, có yêu cầu khắt khe về tốc độ và momen, thay thế dần cho các hệ truyền động động cơ một chiều Một số phương pháp điều chỉnh tốc độ được ứng dụng thực tế:

• Phương pháp điều khiển điện áp phần ứng : Khi điện áp lưới suy giảm, momen tới hạn giảm bình phương lần độ suy giảm của điện áp

• Phương pháp điều khiển điện trở rotor : thay đổi điện trở rotor không làm giảm momen cực đại mà chỉ làm thay đổi độ trượt s

• Phương pháp điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn điện xoay chiều : thay đổi song song cả tần số và điện áp nguồn cấp để thay đổi tốc

độ động cơ

Điều khiển điện áp phần ứng và điều khiển điện trở roto là các phương pháp điều khiển đơn giản thích ứng với những hệ truyền động chất lượng thấp Duy nhất khả năng cho phép điều khiển trơn Độ chính xác thấp, vùng làm việc hạn chế và tổn hao năng lượng lớn là những nhược điểm thường thấy khó khắc phục Thực tế hiện tại, phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn điện xoay chiều được ứng dụng nhiều hơn cả do hiệu suất sử dụng năng lượng cao cũng như khả năng điều chỉnh linh hoạt Hệ truyền động điều chỉnh tần số còn được gọi là hệ truyền động biến tần bán dẫn

do việc thay đổi tần số và điện áp lưới được thực hiện nhờ hoàn toàn vào các thiết bị bán dẫn Cấu trúc gồm một hệ thống điều khiển và các linh kiện điện

tử công suất, bộ điều khiển thiết lập tần số và điện áp mong muốn là cơ sở áp đặt chế độ hoạt động các linh kiện điện tử công suất Thông thường đó là sự kết hợp của các bộ điều khiển DsPIC, DSP với các van bán dẫn có tần số hoạt động lớn IGBT, MOSFET, các bộ chỉnh lưu ba pha cho điện áp một chiều có chất lượng cao

1.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp

Điều khiển tần số là phương pháp điều khiển hiện đại cho kết quả điều khiển trơn cũng như hiệu suất sử dụng lớn, thích hợp cho các hệ truyền động

có yêu cầu cao, kết hợp sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc càng làm tăng tính đơn giản của hệ truyền động Cấu trúc bao gồm hệ mạch vòng

hở và hệ mạch vòng kín có phản hồi tốc độ, dòng điện Tuỳ thuộc vào yêu cầu chất lượng, các hệ truyền động vòng kín nhằm nâng cao ổn định và phản ứng đáp ứng khi có sự thay đổi của tải

1.3.1 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp

Biểu thức tốc độ quay động cơ không đồng bộ ba pha :

Kết hợp với kỹ thuật điều chế vectơ không gian, tần số nguồn cấp của động cơ được điều chỉnh theo nhiều luật khác nhau :

• Điều khiển theo nguyên tắc giữ từ thông stator không đổi : giữ nguyên

tỉ số điện áp (dòng điện) với tần số lưới điện cung cấp cho động cơ Kết quả momen định mức động cơ không đổi do từ thông stator được giữ nguyên Phương pháp còn được gọi là điều khiển vô hướng

• Giữ từ thông roto không đổi (FOC) : đưa mô hình điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha về mô hình điều khiển động cơ một chiều bằng cách phân tách điều khiển riêng biệt hai thành phần : thành phần tạo từ thông roto và thành phần tạo momen Đây là phương pháp có ưu điểm cho chất lượng cao tuy nhiên mô hình tính toán phức tạp

• Điều khiển trực tiếp momen : Bằng cách so sánh từ thông và momen động cơ giữa giá trị đặt và giá trị thực được tính toán gián tiếp qua dòng điện và điện áp động cơ, momen động cơ được điều chỉnh trực tiếp thông qua áp đặt các vectơ điện áp hợp lý đã được chỉ định trước Phương pháp có ưu điểm tốc độ đáp ứng nhanh, mô hình tính toán đơn giản tuy nhiên chất lượng của phương pháp phụ thuộc nhiều vào kết quả tính toán giá trị từ thông stator

Trên thực tế, cả ba phương pháp điều khiển trên được ứng dụng nhiều Để làm rõ kỹ thuật điều chế vectơ áp dụng trong bộ biến tần nguồn áp, bản luận văn sử dụng phương pháp điều khiển vô hướng, điện áp/tần số giữ không đổi Đây là phương pháp đơn giản, được sử dụng rất phổ biến và đủ để làm sáng

rõ nguyên lý điều chế PWM vectơ không gian

1.3.2 Phương pháp điều khiển vô hướng

Điều khiển vô hướng là phương pháp điều khiển song song tần số và điện áp động cơ Luật điều khiển luôn giữ tỷ số điện áp và tần số nguồn cung cấp (U/f) không đổi Kết quả cho phép giữ nguyên khả năng quá tải momen trong suốt dải điều chỉnh Tuỳ thuộc vào đối tượng vào đối tượng điều khiển, quan hệ U/f có thể khác nhau Nguyên tắc điều khiển chung được biểu diễn theo công thức :

1

)(

x

sdm

s sdm

s

f

f U

= (1.15)

Trong đó:

x: Hệ số phụ thuộc vào đặc tính tải

Khi thay đổi tần số và điện áp, các đại lượng: trở kháng, từ thông của động

cơ bị thay đổi Biện pháp điều khiển giữ quan hệ U/f =const cho phép đảm bảo các chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng Để hiểu rõ nội

dung phương pháp hơn, có thể phân tích quan hệ điện từ theo quan điểm khả năng sinh momen động cơ Từ thông móc vòng trong cuộn dây stator:

Φ(t)=Φmaxsinϖst (1.16) Trong đó:

N K

bé, có thể coi Es= Us, khi đó luật điều chỉnh là giữ cho tỉ số U/f =const

Đây là nội dung chính của phương pháp điều khiển tần số theo luật U/f=const: luôn giữ từ thông khe hở không đổi bằng cách nguyên quan hệ U/f theo tiêu chuẩn cho trước Thuật toán điều khiển U/f =const chỉ dựa trên quan hệ giữa các đại lượng vô hướng (điện áp và tần số) vì thế phương pháp này còn được gọi là phương pháp điều khiển vô hướng (Scalar ) Các hệ thống biến tần - động cơ điều khiển theo nguyên tắc U/f =const có cấu trúc:

Hình1.3 : Sơ đồ khối luật điều khiển U/f =const

' 2

/ 3

r s sl s m

r s r s

sl s

r m sl s

s

R

X R X

X X X R R

R X U

p M

ϖ

ϖ ϖ

ϖ 3 (1.20b)

Với

2 ' '

' 2

r s sl s m

r s r s

sl s

r m sl

R

X R X

X X X R R

R X K

ϖ

ϖ ϖ

ϖ

ϖ

(1.20c)

ws=2πfs tần số góc của điện áp nguồn cung cấp

wsl=2πfsl tần số góc của điện áp rotor

s hệ số trượt

Nghịch lưu

Xs=Xσs +Xm điện kháng tổng stator ứng với tần số nguồn cung cấp

Xr ‘=Xσr +Xm điện kháng tổng rotor ứng với tần số nguồn cung cấp

Chất lượng phương pháp điều khiển được làm rõ hơn theo đặc tính cơ thực nghiệm:

trên điện trở stator không đổi, thực hiện điều khiển song song cả tần số và điện áp không thể giữ từ thông khe hở ổn định do thành phần điện áp sinh ra

từ thông luôn bị thay đổi theo tần số Đây là nguyên nhân gây ra chất lượng momen kém ở vùng tần số thấp: điện áp cung cấp cho động cơ chủ yếu rơi

trên thành phần điện trở stator, thành phần điện áp sinh từ thông nhỏ hơn nhiều so với định mức, momen động cơ sụt giảm mạnh Như vậy, ảnh hưởng điện trở stator đến chất lượng điều khiển là đáng kể, đặc biệt là với các động

cơ công suất nhỏ Để nâng cao chất lượng điều khiển, tỉ số điện áp – tần số thường được bù ở vùng tần số thấp nhằm giữ cho thành phần điện áp sinh ra

từ thông không đổi Độ lớn lượng điện áp bù cần thoả mãn yêu cầu đủ tạo cho điện áp có trị cần thiết ở tần số bằng không và định mức khi tần số đạt định mức Điện áp stator có bù ở vùng tần số thấp được thực hiện điều khiển giữ từ thông không đổi để bỏ qua điện áp rơi trên điện trở stator :

Đường số 1 : quan hệ điện áp/ tần số không thực hiện bù tần số thấp Đường số 2, số 3 : quan hệ điện áp/ tần số điều chỉnh có bù để giảm ảnh hưởng thành phần rơi trên điện áp stator

Hình 1.5 Quan hệ điện áp – tần số có bù thành phần rơi trên điện trở

V rated

f rated

3

2 Điều

Sau khi thực hiện bù điện áp, phương pháp điều khiển cải thiện chất lượng momen có sử dụng bù điện áp rơi trên điện trở stator đạt được chất lượng momen khá cao Theo lý thuyết, có thể giữ nguyên momen cực đại ở mọi vùng tần số

Hình 1.6 Đặc tính cơ điều khiển vô hướng giữ từ thông khe hở không đổi

Kết luận chương 1:

Nổi bật lên với kết cấu đơn giản đồng thời với sự kết hợp sử dụng với các

bộ biến tần biến dẫn, động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi

Kỹ thuật điều khiển tần số nguồn cấp theo các luật điều khiển từ đơn giản đến phức tạp đã thể hiện khả năng đáp ứng các hệ truyền động có yêu cầu điều chỉnh tốc độ chính xác và hiệu suất sử dụng năng lượng cao Được ứng

dụng nhiều trong thực tế là phương pháp điều khiển vô hướng có bù điện áp

ở vùng tần số thấp để giữ momen điện từ không đổi Tín hiệu tần số, biên độ điện áp theo yêu cầu tốc độ mong đợi được tính toán để điều khiển bộ biến tần bán dẫn tạo ra dòng năng lượng cấp cho động cơ có các đặc tính tương ứng Kết quả giúp cho tốc độ động cơ được điều chỉnh trơn mịn, các đường đặc tính cơ cứng vững hơn so với đặc tính cơ tự nhiên

• Biến tần trực tiếp :

Biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian một chiều Tần số điện áp đầu áp có giới hạn f2 < f ( f : tần số điện áp lưới cấp đầu vào) Bộ biến tần trực tiếp có cấu trúc phức tạp, tần số điện áp đầu ra phụ thuộc vào tần số điện áp đầu vào Thông thường các bộ biến tần trực tiếp được sử dụng cho các ứng dụng công suất lớn do hiệu suất sử dụng cao

• Biến tần gián tiếp:

Cấu trúc hệ biến tần gián tiếp gồm ba khâu chính : chỉnh lưu, lọc, nghịch lưu Điện áp có tần số f được chuyển sang tần số f2 phải thông qua khâu trung gian một chiều do đó có tên gọi là biến tần gián tiếp Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp f được chỉnh lưu thành điện áp một chiều nhờ bộ chỉnh lưu có điều khiển hoặc không có điều khiển Ngày nay, thông thường chỉnh lưu thường là không điều khiển Điện áp một chiều tiếp tục được san phẳng nhờ tụ điện hoặc cuộn kháng Điện áp tần số f2

phía đầu ra được thực hiện nhờ bộ nghịch lưu thông qua các luật điều khiển đóng cắt Nhờ xuất hiện các thiết bị bán dẫn chất lượng cao cùng kỹ thuật xử lý tín hiệu, các phương pháp điều khiển mới đã cho phép các bộ biến tần gián tiếp xuất hiện nhiều trong các ứng dụng đảm bảo khả năng

biến tần : biến tần nguồn áp và biến tần nguồn dòng tuỳ thuộc tính chất dòng năng lượng sau chỉnh lưu cung cấp cho khâu nghịch lưu Hệ biến tần nguồn dòng được sử dụng phạm vi công suất lớn, ở phạm vi biến đổi công suất nhỏ và vừa, các bộ biến tần nguồn áp được sử dụng rộng rãi Thực tế các bộ biến tần gián tiếp nguồn áp được sử dụng rộng rãi hơn cả

Cấu trúc bộ biến tần nguồn áp :

Hình 2.1 Cấu trúc bộ biến tần nguồn áp

2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM:

Dòng năng lượng từ bộ biến tần cấp tới động cơ được điều khiển qua các van bán dẫn Tốc độ đóng cắt nhanh theo qui luật hợp lý của các van bán dẫn cho phép tạo ra điện áp có các thành phần điều hoà bậc cao ít cung cấp

cho động cơ Phương pháp điều khiển độ rộng xung PWM là phương pháp quan trọng, được sử dụng nhiều trong các cấu trúc điều khiển yêu cầu chất lượng cao do những đặc tính cơ bản tốt :

• Phạm vi điều khiển tuyến tính rộng

• Điện áp và dòng điện ra chứa ít các thành phần điều hoà bậc cao

• Cho phép làm việc ở vùng tần số thấp

• Phạm vi điều chỉnh rộng, có thể hoạt động ở chế độ quá điều chế

• Mạch động lực có cấu tạo đơn giản

Các phương pháp điều chế PWM phổ biến :

Hình 2.2 Nguyên tắc điều chế độ rộng xung SPWM ba pha

Tín hiệu xung răng cưa ( sóng mang) có tần số fs được so sánh với ba tín hiệu điều chế điện áp ba pha sin *

0

v , v*0,v c*0, có tần số f, thời điểm giao cắt

của các tín hiệu điều chế sin và xung răng cưa tạo ra các tín hiệu logic SA, Sb,

Sc điều khiển sự đóng cắt các van bán dẫn Ba tín hiệu điều chế sin có cùng biên độ, tần số lệch pha nhau 1200

Kết quả cho hệ thống điện áp ba pha đầu ra gần giống tín hiệu điện áp hình sin:

Hình 2.3 Dạng sóng điện áp pha - điện áp dây điều chế theo phương pháp SPWM

Bằng cách thay đổi biên độ và tần số của tín hiệu điều chế va0 có thể tạo ra điện áp có tần số cơ bản giống tín hiệu điều chế và biên độ tỉ lệ với biên độ tín

hiệu điều chế cung cấp cho động cơ Thông thường nếu fs tăng, tần số đóng cắt các thiết bị bán dẫn tăng, tổn hao đóng cắt tăng, điện áp ra có thành phần sóng điều hoà bậc cao ít hơn, tổn hao đồng giảm và ngược lại Vì vậy, tần số

fs được chọn hợp lý dựa trên cân bằng tổn hao giữa tổn hao đóng cắt trong bộ biến tần với tổn hao đồng trong động cơ và giới hạn tần số cho phép của các linh kiện bán dẫn Sử dụng phương pháp phân tích chuỗi Fourier biểu diễn điện áp đầu ra Van [4]:

Van = 0,5mVdsin (ϖt + ϕ ) + thành phần bậc cao ( Mϖc ± Nϖ) (2.1) Trong đó :

Vp : biên độ đỉnh điện áp điều chế

VT : Biên độ đỉnh tín hiệu sóng mang

Hình 2.4 Dạng sóng điện áp điều chế theo phương pháp SPWM khi m>1

Thông thường, giới hạn của hệ số điều biến biến đổi từ giá trị 0 tới 1 cho phép tạo ra quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu điều chế và điện áp đầu ra Khi m=1, theo (2.1) biên độ đỉnh của điện áp đầu ra đạt 0,5Vd, đây là giới hạn điều chế Nếu m tiếp tục tăng lớn hơn 1, không còn quan hệ tuyến tính giữa biên độ điện áp đầu áp đầu ra và biên độ tín hiệu điều chế, xuất hiện các thành phần sóng điều hoà bậc 5 và bậc 7 Khi m quá lớn, phương pháp điều khiển PWM trở về phương pháp điều chế xung điện áp, biên độ điện áp đầu ra có thể đạt tới4.(0π.5V d)

2.2.2 Điều chế vectơ không gian PWM

Khảo sát sơ đồ nghịch lưu áp ba pha theo hình (2.5), điện áp trên tải là

hệ thống ba pha đối xứng :

Hình 2.5 Nghịch lưu áp ba pha và đồ thị xung

Hệ thống điện áp ba pha bởi vectơ U n ứng với mỗi 1/6 chu kỳ điện áp

ra ( n = 0, 1, 2, 3, 4, 5) Vectơ điện áp U n có biên độ U V dc

−

3 1

−

Trong một chu kỳ điện áp ra có 6 lần chuyển mạch tương ứng với sáu vectơ điện áp U1, U2, U3, U4, U5, U6 mô tả điện áp ba pha đối xứng:

Hình2.6 Ve ctor chuẩn và phân chia sector

Vị trí và giá trị các vectơ này xác định :

• Giá trị điện áp tức thời trong các pha

• Luật đóng mở các van

Do đó, các vectơ này gọi là các vectơ chuyển mạch

• Vectơ U1 ứng với tổ hợp van 1, 6, 2 dẫn điện

• Vectơ U2 ứng với tổ hợp van 1, 5, 2 dẫn điện

• Vectơ U3 ứng với tổ hợp van 4, 3, 2 dẫn điện

• Vectơ U4 ứng với tổ hợp van 4, 3, 5 dẫn điện

• Vectơ U5 ứng với tổ hợp van 4, 6, 5 dẫn điện

• Vectơ U6 ứng với tổ hợp van 1, 6, 5 dẫn điện

Ngoài 6 vectơ điện áp còn hai trạng thái vectơ cho điện áp đầu ra bằng 0 :

• Vectơ U7 ứng với tổ hợp van 1, 3, 5 dẫn điện

• Vectơ U2 ứng với tổ hợp van 2, 4, 6 dẫn điện

Sáu vectơ điện áp chia không gian thành 6 phần bằng nhau gọi là các sector được đánh số từ 1 tới 6 Đóng mở 2 trong số 6 vectơ tích cực và 2 vectơ điện áp không chuyển với tần số fs sẽ tạo ra các vectơ trung gian dịch chuyển trong mặt phẳng pha với góc quay bằng

*

U U

U = +

theo hình vẽ :

Hình 2.7 Phâ n tích vectơ điện áp chuyển mạch theo các vectơ không gian

Vec tơ U* được xác định dựa vào hai vectơ cơ bản U1 và U2 Nếu chia chu kỳ Ts ra những khoảng thời gian sao cho Ts = t1+ t2 + t0

Với :

t0 : thời gian mà nghịch lưu điện áp ra bằng không

t1 : thời gian làm việc của vectơ điện áp U1’

t2: thời gian làm việc của vectơ điện áp U2’

' 1 1

1 U

T

t U

x

=

Như vậy, vector U* ở vị trí bất kỳ trong không gian vectơ đều có thể phân tích thành tổng hai vectơ thành phần tỉ lệ với vectơ điện áp chuẩn nằm trên biên các sector theo thời gian duy trì đóng cắt ở vị trí sector bất kỳ:

2 2 1 1

*

t T

t U T

t U U

s s

+ +

=

3 1 2

*

t T

t U T

t U U

s s

+ +

=

2 4 1 3

*

t T

t U T

t U U

s s

+ +

=

5 1 4

*

t T

t U T

t U U

s s

+ +

=

6 1 5

*

t T

t U T

t U U

s s

+ +

=

2 1 1 6

*

t T

t U T

t U U

s s

+ +

=

Giống như vectơ không gian Us, vectơ chuyển mạch U* cũng quay trong mặt phẳng phụ tải, giá trị và vị trí của nó sẽ xác định giá trị điện áp ra, dạng điện áp ra và thành phần sóng hài cơ bản của điện áp nghịch lưu Vectơ U*

quay với góc quay gián đoạn Khác với phương pháp điều khiển PWM thông

0 2 2 1 1

*

t T

t U T

t U U

s s

+ +

=

thường, điều chế vectơ không gian không cần sử dụng ba điều chế phát xung riêng cho ba pha Vectơ U* là vectơ tổng quát được tính đồng thời cho cả ba pha và vectơ này được dựa vào 6 vectơ cơ bản đảm bảo các xung điều khiển đưa vào nghịc lưu là hệ thống ba pha đối xứng

Có thể sử dụng một vectơ điện áp có biên độ không đổi Vs để biểu diễn cho hệ điện áp ba pha hình sin điều hoà, chiếu vectơ điện áp lên ba trục trên mặt phẳng phụ tải ta sẽ nhận được giá trị điện áp của từng pha Ngược lại, nếu tạo một vectơ điện áp tương đương quay tròn trong không gian vectơ điện áp

sẽ thu được hệ điện áp ba pha phía đầu ra Vector điện áp quay tròn cho phép loại bỏ các sóng hài bậc cao và biên độ áp ra trở nên tuyến tính Phương pháp điều chế vectơ không gian cho phép bộ nghịch lưu tạo ra điện áp ba pha gần giống với dạng sin, thành phần sóng hài thấp, biên độ điện áp ra tuyến tính Thành phần điện áp cơ bản được tạo ra có: tần số bằng tần số góc quay của vectơ điện áp U*, biên độ điện áp tỉ lệ với biên độ vectơ điện áp U* Vectơ điện áp U* được lấy mẫu tần số fs = 1/Ts không đổi làm cơ sở tính thời gian t1,

t2 , t0đóng cắt các vectơ điện áp theo hình 2.8:

Hình 2.8 Luật điều khiển SV PWM

Giả sử vectơ U* nằm trong sectơ 1, góc lệch pha giữa vectơ U* với

vectơ U1 là α theo hình vẽ 2.7 Giá trị t1, t2 được xác định theo góc lệch α và

biên độ điện áp U* :

2 1 0

) sin(

3

2 2

) 3

sin(

3

2 1

t t s T t

m s T t

m s T t

Với :

dc

s V

V m

3 2

=

Để đảm bảo tối ưu quá trình đóng cắt, các van bán dẫn được đóng mở theo

yêu cầu giảm tối đa số lần đóng cắt trong 1 chu kỳ để giảm tổn hao nhiệt đóng

cắt Đối với khu vực sector 1, các vectơ được đóng cắt theo qui luật :

U 0 → U 1 → U 2 → U 7 → U 2 → U 1 → U 0

Tương tự, các trạng thái đóng cắt các vectơ trong các sectơ khác:

Sectơ 3 Sectơ 4

Hình 2.9 Giản đồ phân phối xung điều khiển vectơ điện áp

2.2.3 So sánh phương pháp PWM thông thường và PWM điều chế vectơ

không gian

Phương pháp điều chế vectơ PWM thông thường có cấu trúc phần cứng

tương đổi phức tạp, hệ thống cần ba bộ điều chế điện áp chủ đạo cho ba pha

riêng biệt Ua, Ub, Uc làm cơ sở so sánh với sóng mang tạo tín hiệu PWM điều

khiển đóng mở các van bán dẫn Mô hình hệ thống nặng về cấu trúc phần

cứng Chất lượng điện áp ra chứa thành phần sóng hài bậc cao nhiều Khác

biệt hẳn, điều chế vectơ không gian chỉ cần một tín hiệu điện áp chủ đạo làm

cơ sở so sánh tính toán tạo ra các tín hiệu điều khiển PWM Hệ thống điều

khiển dựa trên mô hình tính toán toán học nhiều nên có cấu trúc đơn giản, vận

hành an toàn và độ tin cậy cao Hơn thế nữa, phương pháp điều chế vectơ không gian cho phép khả năng sử dụng điện áp cao đạt (m = 0,907) so với phương pháp PWM ( m = 0,7855)

2.4 Xây dựng cấu trúc hệ biến tần – động cơ

Hệ biến tần cấp cho động cơ được chọn là hệ biến tần nguồn áp có cấu trúc là hệ biến tần gián tiếp thực hiện thay đổi dạng điện áp đầu ra có phạm vi tần số làm việc trơn từ 0 – 50 Hz, hoạt động vòng hở

Hệ biến tần - động cơ có cấu trúc :

Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc hệ biến tần nguồn áp – động cơ

Hệ biến tần được phân rõ thành hai phần bao gồm mạch động lực và mạch điều khiển Các xung tín hiệu điều khiển từ mạch điều khiển được điều chế theo phương pháp điều chế vectơ không gian PWM theo luật U/f = hằng

số có bù ở vùng tần số thấp Để phù hợp với kỹ thuật điều chế vectơ không