Xây dựng hệ truyền động điều khiển tần số động cơ không đồng bộ làm việc bốn góc phần tư

Sơ đồ nguyên lý biến tần làm việc bốn góc phần tư  Các yêu cầu đặt ra khi phát trả năng lượng về lưới: Điện năng phát trả về lưới thông qua bộ biến đổi phía lưới phải tuân theo các yê

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ

NGUY ỄN THỊ ĐIỆP

Bản luận văn này được hoàn thành là nhờ có sự quan tâm, chỉ bảo tận tình của thầy hướng dẫn, các thầy cô trong bộ môn, các bạn đồng nghiệp cũng như sự động viên của gia đinh

Qua đây tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại

học Bách khoa Hà nội, những người đã truyền đạt, củng cố những tri thức quan trọng trong suốt thời gian học vừa qua, xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Tự động hoá đã giúp tôi nâng cao kiến thức, mở rộng hiểu biết về chuyên ngành được học

Đặc biệt, tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hưỡng dẫn TS

Phạm Văn Diễn, người đã hướng dẫn tôi phương pháp nghiên cứu phù hợp

để bản luận văn này được hoàn thành

Hà Nội, ngày 17 tháng 4 năm 2008

Học viên Nguyễn Thị Điệp

Lời Cam đoan

Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp này được thực hiện bởi sự nỗ lực của bản thân dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Phạm Văn Diễn cùng với các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn ở cuối bản luận văn

Hà Nội, ngày 17 thỏng 4 năm 2008

Học viờn Nguyễn Thị Điệp

DTC ( Direct Torque Control ) : Điều khiển trực tiếp mômen

DSP (Digital Signal Processor ) : Bộ xử lý tín hiệu số

FOC (Field Oriented Control ) : Điều khiển trường định hướng

VOC (Voltage Oriented Control): Điều khiển tựa theo véctơ điện áp lưới VFOC (Virtual Flux Oriented Control): Điều khiển tựa theo véctơ từ thông ảo DPC (Direct Power Control): Điều khiển công suất trực tiếp

VFDPC (Virtual Flux based Direct Power Control): Điều khiển công suất trực tiếp tựa theo véctơ từ thông ảo

KĐB : Không đồng bộ

BĐPĐC: Bộ biến đổi phía động cơ

BĐPL: Bộ biến đổi phía lưới

PI ( Proportional Intergrated ): Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân

PWM (Pulse Width Modulation): Điều chế độ rộng xung

Hình 1 Biến tần nguồn áp 2

Hình 2 Mạch hãm trong hệ biến tần - động cơ KĐB, chỉnh lưu điôt 2

Hình 3 Sơ đồ nguyên lý biến tần làm việc bốn góc phần tư 4

Hình 1.1 Biến tần nguồn áp sử dụng hai bộ PWM 8

Hình 1.2 Sơ đồ thay thế và giản đồ vector chỉnh lưu PWM 9

Hình 1.3 Bốn chế độ hoạt động ở các góc phần tư 10

Hình 2.1 Đồ thị vector cho phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông rotor 17

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tựa từ thông rotor (FOC) 18

Hình 2.3 Nguyên lý điều khiển trực tiếp mômen 20

Hình 2.4 Quỹ đạo của các vector từ thông stator và vector từ thông rotor 22

Hình 2.5 Điều khiển mômen có trễ: M đ – mômen đặt; M – mômen điện từ của động cơ; ΔM - ngưỡng trễ 23

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp mômen 23

Hình 2.7 Quỹ đạo vector từ thông stator và các vector điện áp chuyển mạch thích hợp; FD - giảm từ thông; FI – tăng từ thông; TD- giảm mômen; TI – tăng mômen 27

Hình 2.8 Sáu vector trong phương pháp DTC cải tiến 28

Hình 2.9 DTC với 12 sector 30

Hình 2.10 Những thay đổi của mômen và từ thông theo quỹ đạo từ thông trong phương pháp 12_DTC 31

Hình 3.1 Mô hình BĐPL (chỉnh lưu PWM) 35

Hình 3.2 Mô hình công tắc lật của mạch nghịch lưu/chỉnh lưu PWM 35

Hình 3.3 Sơ đồ thay thế một pha của chỉnh lưu PWM 36

Hình 3.7 Hệ truyền động động cơ không đồng bộ biến tần CLPWM với các

phương pháp điều khiển 31

Hình 3.8 Sơ đồ khối của hệ thống dùng phương pháp điều khiển VOC 42 Hình 3.9 Đồ thị véctơ điện áp 43

Hình 3.10 Cấu trúc mạch vòng điều khiển bộ BĐPL theo VOC 44

Hình 3.11 Sơ đồ khối của hệ thống dùng phương pháp điều khiển VFOC 45

Hình 3.12 Cấu trúc mạch vòng điều khiển bộ BĐPL theo VFOC 46

Hình 3.13 Quan hệ điện áp và từ thông ảo với dòng công suất của bộ BĐPL 47

Hình 3.14 Sơ đồ cấu trúc ước lượng véctơ từ thông ảo 48

Hình 3.15 Sơ đồ khối hệ thống dùng phương pháp điều khiển DPC 49

Hình 3.16 Khâu ước lượng công suất và điện áp 51

Hình 3.17 Sơ đồ khối của hệ thống dùng phương pháp điều khiển VF-DPC 51 Hình 3.18 Khâu ước lượng p, q theo ψL 53

Hình 3.19 Phân vùng không gian trạng thái và các véctơ điện áp 54

Hình 3.20 Các khâu điều chỉnh phi tuyến 56

Hình 4.1 Mô hình cấu trúc hệ điều khiển DTC 63

Hình 4.2 Mô hình khâu tính toán mômen, từ thông và góc quay 63

Hình 4.3 Mô hình khâu trễ trạng thái của mômen và từ thông 64

Hình 4.4 Bảng chọn sector 64

Hình 4.5 Bảng đóng cắt 65

Hình 4.6 Mô hình cấu trúc hệ điều khiển DPC 67

Hình 4.7 Mô hình bộ điều chỉnh điện áp một chiều 67 Hình 4.8 Mô hình khâu đánh giá công suất tác dụng và phản kháng 68

Hình 4.9 Mô hình khâu tính góc γU L 68

ψ

γ

70

Hình 4.13 Mô hình mô phỏng hệ thống DPC-DTC 70

Hình 4.14 Mô hình mô phỏng hệ thống VFDPC-DTC 71

DANH M ỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Bảng chọn cung cho mảnh quỹ đạo thứ “k” 27

Bảng 2.2 Bảng chọn vector điện áp khi điều khiển trực tiếp mômen 28

Bảng 2.3 Bảng so sánh hai phương pháp DTC cơ sở (C-DTC) và DTC cải tiến (M-DTC) 29

Bảng 2.4 Bảng chọn vector điện áp khi điều khiển trực tiếp mômen cho phương pháp DTC cải tiến 30

Bảng 2.5 Mô tả tác dụng của các vector điện áp trong sector 12 31

Bảng 2.6 Mô tả tác dụng của các vector điện áp trong sector 1 31

Bảng 2.7Bảng chọn cho phương pháp DTC với 12 sector 32

Bảng 3.1 Bảng đóng cắt cho phương pháp DPC 57

Trang Trang 1

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các từ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA LÀM VIỆC BỐN GÓC PHẦN TƯ 1.1 Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư 8

1.1.1 Phân tích chế độ làm việc bốn góc phần tư 8

1.1.2 Đặc điểm của hệ thống 11

1.2 Yêu cầu đặt ra cho hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư 12

1.2.1 Phần điều khiển chung 12

1.2.2 Trong góc phần tư I và III 13

1.2.3 Trong góc phần tư II và IV 13

2 1 Phương pháp điều khiển véctơ 16

2 2 Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen 19

2.2.1 Khái niệm điều khiển trực tiếp mômen 19

2.2.2 Điều khiển trực tiếp mômen theo bảng chọn 23

2 3 Phân tích lựa chọn phương pháp điều khiển cho bộ BĐPĐC 32

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA LƯỚI 3.1 Mô t ả toán học bộ BĐPL 35

3.2 Giới thiệu chung về các phương pháp điều khiển bộ BĐPL 39

3.3 Phương pháp điều khiển bộ BĐPL định hướng theo véctơ điện áp 42

3.3.1 Phương pháp điều khiển bộ BĐPL định hướng theo véctơ điện áp sử dụng đại lượng véctơ điện áp VOC 42

3.3.2 Phương pháp điều khiển bộ BĐPL định hướng theo véctơ điện áp sử dụng đại lượng véctơ từ thông ảo VFOC 45

3.4 Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất.49 3.4.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất sử dụng đại lượng véctơ điện áp DPC 49

3.4.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất sử dụng đại lượng véctơ từ thông ảo VFDPC 51

3.4.3 Lựa chọn bộ điều khiển công suất và bảng đóng cắt 53

3.5 Phân tích, so sánh, lựa chọn phương pháp điều khiển cho bộ BĐPL 57 CHƯƠNG 4 TỔNG HỢP VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

4.2 Thi ết lập mô hình mô phỏng cho bộ BĐPL 65

4.2.1 Chuẩn bị mô phỏng 65

4.2.2 Mô hình mô phỏng phương pháp DPC trên Matlab 67

4.2.2 Mô hình mô phỏng phương pháp VFDPC trên Matlab 69

4.3 Mô hình mô ph ỏng hệ biến tần làm việc 4 góc phần tư 70

4.3.1 Mô hình mô phỏng hệ thống DPC-DTC 70

4.3.2 Mô hình mô phỏng hệ thống VFDPC-DTC 71

4.4 Phân tích, nh ận xét và so sánh các kết quả mô phỏng 71

4.4.1 Động cơ làm việc với tải nâng hạ, ở chế độ định mức 72

4.4.2 Động cơ làm việc với tải nâng hạ, ở chế độ giảm tốc độ 73

4.4.3 Động cơ làm việc với tải nâng hạ, khi đảo chiều quay với các tốc độ khác nhau 75

4.4.4 Động cơ làm việc với tải có tính chất phản kháng khi đảo chiều quay 80

K ẾT LUẬN 83 TÀI LI ỆU THAM KHẢO

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, vấn đề năng lượng, môi trường và vốn đầu tư

đã làm chậm trễ việc xây dựng các nhà máy điện và các đường dây truyền tải mới Trong khi đó nhu cầu về điện tiếp tục tăng cao ở nhiều nước nhất là các nước đang phát triển như Việt Nam Vấn đề này làm thúc đẩy mối quan tâm đến việc vận hành linh hoạt và tận dụng tốt nhất các hệ thống điện có sẵn và tận dụng các nguồn năng lượng bị tiêu tán trong các quá trình hãm Ví dụ như trong các hệ thống truyền tải điện năng, hệ thống điều khiển thiết bị phát điện

chạy sức gió, các thang máy cao tốc, máy nâng hạ, máy cán thép …

Luận văn này, tiếp cận một phương pháp tiết kiệm năng lượng bằng cách tận dụng các nguồn năng lượng bị tiêu tán trong các quá trình hãm phát trả

năng lượng về lưới

Trong thực tế sản xuất động cơ không đồng bộ (KĐB) được sử dụng rất rộng rãi Ưu điểm nổi bật của động cơ này là cấu tạo đơn giản (đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc), giá thành hạ, vận hành tin cậy và chắc chắn Hiện nay

có một số phương pháp điều chỉnh tốc độ KĐB như:

- Phương pháp điều chỉnh điện áp stato

- Phương pháp điều chỉnh điện trở phụ nối vào rôto

- Phương pháp điều chỉnh công suất trượt

- Phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cung cấp

Trong đó, phương pháp điều khiển tần số nguồn cung cấp cho KĐB là

phương pháp tốt nhất Với sự phát triển của công nghiệp điện tử công suất, giá thành các bộ biến đổi ngày càng hạ, tính năng kỹ thuật ngày càng nâng cao, nên hệ truyền động điều khiển tần số được sử dụng rộng rãi nhất hiện

một chiều

C + -

+ -

Đặc điểm của biến tần nguồn áp là điện áp một chiều luôn luôn giữ dấu không đổi, khi dòng Id cũng không đổi dấu Do vậy không thể thực hiện trao đổi năng lượng từ tải về lưới Trong trường hợp này chủ yếu là dùng hãm dập động năng bằng điện trở hãm mạch một chiều (Hình 2)

Khi động năng động cơ KĐB cần giải thoát chuyển về mạch một chiều qua cầu điôt ngược làm cho điện áp trên tụ C là Udc dâng cao Dùng tranzito

Th và điện trở Rh đóng ngắt theo tần số nhất định sẽ biến động năng dư thừa thành nhiệt năng đốt nóng điện trở

Trong quá trình hãm, nếu không tiêu tán kịp thời năng lượng này có thể gây quá áp trong mạch một chiều có thể gây phá huỷ các tụ điện một chiều Đặc biệt với các hệ truyền động có yêu cầu đảo chiều, tăng tốc và giảm tốc thường xuyên thì khả năng hãm là cần thiết, ví dụ như thang máy, các máy điện công suất lớn, máy bơm ly tâm… Thông thường, khi năng lượng hãm

lớn hơn hoặc bằng 10% năng lượng làm việc định mức của hệ thống thì cần

phải tính đến việc bổ xung các mạch hãm cho hệ thống

Giải pháp sử dụng điện trở hãm đang được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay vì tính đơn giản, chi phí thấp Tuy nhiên nó lại tiêu phí năng lượng dưới dạng nhiệt, không gian lắp đặt lớn làm tăng kích thước của biến tần và phải thiết kế thêm các bộ làm mát …

Xét sơ đồ hình 2 ta thấy:

- Ở phần chỉnh lưu (CL) điện áp ra luôn có cực tính không đổi

- Năng lượng luôn được truyền từ lưới điện xoay chiều ba pha ra bộ nghịch lưu PWM (NL) để tới động cơ

- Nếu thực hiện hãm tái sinh (phát trả năng lượng về lưới) thì bộ chỉnh

lưu sẽ không cho phép năng lượng được trả về lưới do các điôt đều bị phân cực ngược bởi điện áp trên tụ C

+ -

KĐB

Hình 3 Sơ đồ nguyên lý biến tần làm việc bốn góc phần tư

 Các yêu cầu đặt ra khi phát trả năng lượng về lưới:

Điện năng phát trả về lưới thông qua bộ biến đổi phía lưới phải tuân theo các yêu cầu sau:

- Bộ biến đổi phải tự động đồng bộ với lưới điện khi động cơ chuyển sang chế độ hãm để phát trả năng lượng về lưới

- Bộ biến đổi phía lưới phải tạo ra điện áp có dạng sin để cho sóng hài cơ

bản của nó có biên độ và góc pha tương tự như nguồn điện áp cung cấp

- Các sóng hài bậc cao càng giảm thiểu càng tốt làm sao để đảm bảo đáp ứng các tiêu chuẩn về giới hạn độ méo cho phép của dòng và áp

- Đảm bảo hiêu suất làm việc cao cho hệ thống Nghĩa là điều khiển bộ biến đổi phía lưới hoạt động với hệ số cosφ → 1

 B ản luận văn này giải quyết các vấn đề sau:

Như đã phân tích ở trên, hệ biến tần làm việc bốn góc phần tư đã ra đời

và không chỉ ứng dụng trong các hệ truyền động điện mà còn trong các hệ thống phát và truyền tải điện năng Hiện nay, các nghiên cứu về hệ biến tần làm việc ở bốn góc phần tư đã được nghiên cứu một cách bài bản và đã trở thành sản phẩm hàng hoá

Các phân tích lý thuyết về điều khiển bộ biến đổi phía lưới dựa trên cơ

sở vector từ thông ảo và vector điện áp lưới đã được phân tích ở nhiều tài liệu khác nhau Tuy vậy, để so sánh, kiểm chứng và hiểu rõ hơn những lý thuyết trên trong khuôn khổ bản luận văn này tác giả đi phân tích, tổng hợp các lý thuyết trên và xây dựng mô hình mô phỏng Và đưa ra một lời kiến nghị với ứng dụng của loại biến tần làm việc 4 góc phần tư này

Để làm được điều đó, bản luận văn được chia thành 4 chương với nội dung như sau:

Chương 1 Tổng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ

xoay chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư

Nội dung của chương này bao gồm phân tích chế độ làm việc 4 góc phần

tư và đặc điểm của hệ thống Đưa ra các yêu cầu cho hệ thống làm việc 4 góc

phần tư

Chương 2 Phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía động cơ

Nội dung của chương trình bày hai phương pháp điều khiển bộ BĐPĐC

là phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rôto (FOC) và phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC) Tập trung phân tích nguyên lý điều khiển trực

tiếp mômen, ước lượng từ thông stato và mômen sử dụng các đại lượng khác nhau Phân tích các phương pháp phân vùng véc tơ và bảng đóng cắt

Mở đầu

Chương 3 Phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía lưới

Phần đầu là mô tả toán học bộ BĐPL, thiết lập các phương trình mô tả

bộ BĐPL trên các hệ toạ độ khác nhau, dùng để tính toán mô phỏng cho phần sau

Giới thiệu các phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía lưới: điều khiển định hướng theo véctơ điện áp và điều khiển trực tiếp công suất Mỗi phương pháp được giới thiệu chi tiết nguyên lý điều khiển, các phép ước lượng véc tơ điện áp đầu vào, véc tơ từ thông ảo và ước lượng công suất Lựa chọn bộ điều khiển công suất và bảng đóng cắt

Phương pháp điều khiển cho bộ biến đổi phía lưới được lựa chọn là

phương pháp điều khiển trực tiếp công suất sử dụng đại lượng véctơ điện áp (DPC) và sử dụng đại lượng véctơ từ thông ảo (VFDPC) Phân tích ưu nhược điểm của hai phương pháp này một cách cụ thể làm tiền đề để chứng minh các

nhận định trên bằng kết quả mô phỏng cho các chế độ làm việc khác nhau của

biến tần

Chương 4 Tổng hợp và mô phỏng hệ thống điều khiển

Nội dung chương này, lựa chọn, tính toán các thông số và thiết lập mô hình mô phỏng bộ BĐPĐC theo phương pháp DTC

Lựa chọn, tính toán các thông số và thiết lập mô hình mô phỏng bộ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA LÀM

1.2.1 Phần điều khiển chung

1.2.2 Trong góc phần tư I và III

1.2.3 Trong góc phần tư II và IV

Chương 1 Tổng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ

xoay chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư

b

c Udc

Hình 1 1 Biến tần nguồn áp sử dụng hai bộ PWM

1.1.1 Phân tích c hế độ làm việc 4 góc phần tư

Để đảm bảo công suất trao đổi theo hai chiều giữa lưới và tải dòng điện

chỉnh lưu Id phải được đổi dấu Quy ước Id có dấu dương khi nó có chiều hướng

về tải và dấu âm khi có chiều hướng về lưới Vì dấu điện áp một chiều là cố định

nên công suất có thể thay đổi hai chiều từ lưới về tải Pd = UdcId > 0 và từ tải về

lưới Pd = UdcId < 0

Để thực hiện được nguyên lý làm việc trên biến tần cần có điều kiện:

- Bắt buộc phải có điện cảm đầu vào

- Giá trị điện áp một chiều Udc được điều chỉnh không đổi và phải lớn hơn giá trị điện áp chỉnh lưu tự nhiên từ lưới

Để giải thích nguyên lý làm việc trên ta sử dụng sơ đồ thay thế một pha (Hình 1.2)

)b

>

ε

)c

L

LIjω

L

LIjωR

Chương 1 Tổng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ

xoay chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư

Trên hình 1.2a là sơ đồ thay thế một pha của chỉnh lưu PWM Hình 1.2b là

giản đồ vector tổng quát của các đại lượng trên sơ đồ thay thế Hình 1.2c là khi điều chỉnh vector IL trùng với vector UL ta có cosφ = 1 và Pd > 0 (ứng với chế

độ động cơ) Hình 1.2d là khi điều chỉnh vector IL ngược với vector UL ta có cosφ = 1 và Pd < 0 (ứng với chế độ hãm tái sinh)

Để thực hiện dòng điện đầu vào có dạng sin người ta dùng phương pháp

biến điệu vector không gian như theo nghịch lưu PWM

Hệ thống làm việc ở chế độ điều khiển động cơ thông thường trong các góc phần tư số I và III, còn trong các góc phần tư II và IV hệ thống phải có khả năng phát trả năng lượng về lưới Điều quan trọng là ta cần điều khiển được hoàn toàn dòng điện phía lưới để có thể đảm bảo chất lượng điện năng và kiểm soát để hệ

số công suất phía lưới xấp xỉ bằng 1 Hệ thống phải đảm bảo để dòng điện phía lưới và phía động cơ đều có dạng hình sin trong cả bốn chế độ hoạt động

Góc I Góc II Góc III Góc IV

Máy điện làm việc

ở chế độ động cơ

Máy điện làm việc

ở chế độ động cơ

Máy điện làm việc

ở chế độ máy phát

Máy điện làm việc

ở chế độ máy phát

Bộ PWM

PL ở chế

độ CL

Bộ PWM PĐC ở chế độ NL

M+

n+

M+

n

−

nM

−

n+

• Khả năng điều chỉnh điện áp một chiều tốt hơn

Trong hoạt động của biến tần, điện áp của mạch một chiều phải lớn hơn hoặc tối thiểu phải bằng biên độ đỉnh giữa pha-pha của điện áp cung cấp cho động cơ Điều này đảm bảo cho biến tần hoạt động bình thường và cho đáp ứng

Chương 1 Tổng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ

xoay chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư

mômen đủ nhanh Ngoài ra nó còn cho phép khai thác động cơ ở điện áp định mức lớn nhất có thể

Bằng việc điều khiển BĐPL ta có thể điều khiển được điện áp của mạch một chiều đáp ứng yêu cầu trên Lúc này bộ PWM phía lưới sẽ hoạt động như một bộ biến đổi có khả năng tăng áp cho điện áp một chiều Khả năng này khiến

hệ thống ít bị ảnh hưởng bởi tải của động cơ cũng như trường hợp sụt giảm điện

áp lưới

Nếu điều khiển tốt điện áp một chiều có thể cho phép giảm dung lượng của các tụ điện mà vẫn đảm bảo chất lượng điện áp ra bằng phẳng so với các hệ thống cũ

• Khả năng điều chỉnh hệ số công suất

Bộ PWM phía lưới cho phép ta điều chỉnh được hệ số cosφ Như vậy nó có thể hoạt động như một bộ bù công suất phản kháng

Thông thường, người ta mong muốn đạt được hệ số cosφ → 1, trong các hệ thống cũ người ta cũng có thể đạt được hệ số công suất bằng 1, tuy nhiên do có nhiều sóng hài bậc thấp nên giá trị hiệu dụng dòng điện của hệ thống này lớn hơn so với hệ thống dùng 2 bộ biến đổi PWM

• Giảm sóng hài bậc cao của dòng điện phía lưới

Không thể có bộ nghịch lưu nào cung cấp dòng điện hoàn toàn hình sin, vì vậy dòng điện lưới sẽ luôn bị méo dạng nhất định Dòng diện lưới sẽ chỉ gần giống hình sin và chứa nhiều thành phần sóng hài bậc cao là bội số của tần số chuyển mạch Ngoài ra, nếu sử dụng bộ chỉnh lưu điôt còn tạo ra các sóng hài lẻ

bậc thấp Các sóng hài lẻ bậc thấp gây ra hiện tượng như làm phát nóng các biến

áp, gây lỗi cho động cơ, làm hỏng tụ điện …

Như vậy hệ thống sử dụng hai bộ biến đổi PWM cho chất lượng điện áp cao hơn Các sóng hài bậc cao do nó sinh ra có thể lọc dễ dàng hơn so với các sóng hài bậc thấp bằng các bộ lọc L hoặc LCL cỡ nhỏ

1.2 YÊU CẦU ĐẶT RA CHO HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH XOAY

1.2.1 Ph ần điều khiển chung

- Có khả năng trao đổi công suất theo hai chiều, hệ thống điều khiển máy điện làm việc trong cả 4 góc phần tư

- Đảm bảo chuyển chế độ điều khiển phù hợp trong các trường hợp: dừng động cơ, giảm tốc độ động cơ…

- Phát hiện và kiểm soát khi xảy ra các trường hợp phát sinh lỗi: mất nguồn lưới, chập pha, ngắn mạch phía lưới, sụt nguồn lưới …

- Kiểm soát và có chiến lược điều chỉnh được dòng năng lượng truyền tải một cách tối ưu từ lưới điện sang mạch một chiều và ngược lại, từ mạch một chiều sang động cơ và ngược lại

1.2.2 Trong góc ph ần tư I và III

- Điều khiển máy điện làm việc ở chế độ động cơ

- Điều khiển bộ PWM phía động cơ ở chế độ nghịch lưu cung cấp nguồn xoay chiều ba pha cho động cơ

Chương 1 Tổng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ

xoay chiều ba pha làm việc bốn góc phần tư

- Có khả năng điều khiển động cơ hoạt động ở chế độ giảm từ thông để đạt tốc độ lớn hơn tốc độ định mức của động cơ

- Có khả năng ước lượng các đại lượng tốc độ của động cơ, góc quay của động cơ mà không cần cảm biến đo

- Có khả năng hạn chế đập mạch mômen sinh ra của động cơ

1.2.3 Trong góc ph ần tư II và IV

- Điều khiển máy điện ở chế độ máy phát

- Điều khiển bộ biến đổi phía lưới ở chế độ nghịch lưu phát trả năng lượng

về lưới theo, đảm bảo chế độ hãm tái sinh có chất lượng động tốt

- Dòng điện phía lưới phải càng gần với dạng sin càng tốt, giảm thiểu dao động của dòng điện lưới

- Khả năng điều chỉnh được hệ số cosφ →1

- Tổn thất do các sóng hài bậc cao đối với dòng điện phía lưới phải thấp

- Khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp của phần điện áp một chiều tốt

- Giảm thiểu kích thước của tụ điện (hoặc cuộn cảm) dùng để tạo dòng liên tục

CH ƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI

PHÍA ĐỘNG CƠ

Nội dung:

2 1 Phương pháp điều khiển vector

2 2 Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen

2.2.1 Khái niệm điều khiển trực tiếp mômen

2.2.2 Điều khiển trực tiếp mômen theo bảng chọn

1 Sơ đồ nguyên lý

2 Ước lượng từ thông stator và mômen

3 Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt

2 3 Phân tích lựa chọn phương pháp điều khiển cho bộ BĐPĐC

Chương 3 Phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía động cơ

Phương pháp điều khiển tần số động cơ không đồng bộ là phương pháp điều khiển tốc độ triệt để nhất, đây là phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều cả ở trên và dưới tốc độ định mức Các phương pháp điều khiển này được chia thành hai nhóm:

• Điều khiển vector

• Điều khiển trực tiếp

2.1 PH ƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTOR

Các phương pháp điều khiển vector dựa trên nguyên lý biến đổi các đại lượng về dạng vector, sau đó luôn quan sát các đại lượng trong một hệ toạ độ nào đó có thể là toạ độ tĩnh hay động

Một vài phương pháp điều khiển vector điển hình:

- Tựa theo từ thông rotor (Roto Flux Orientation – RFO)

- Tựa theo từ thông stator (Stator Flux Orientation – SFO)

- Tựa từ trường tự nhiên (Natural Field Orientation – NFO)

Mục đích của phương pháp là phân ly dòng điện thành hai phần chính: một thành phần dòng điện tạo từ thông, một thành phần dòng điện sinh mômen quay giống như động cơ một chiều

Tuy nhiên qua kiểm nghiệm thực tế thì chỉ có phương pháp điều khiển

tựa theo từ thông rotor (FOC) cho kết quả tốt Do vậy ta xét phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor

Đây là phương pháp điều khiển cả biên độ và vị trí pha của vector dòng điện (điện áp) giúp tạo được hệ thống điều chỉnh từ thông hoàn hảo mà không

cần sử dụng cảm biến từ thông động cơ Trong chế độ xác lập vector từ thông rotor quay đồng bộ với từ trường quay stator, nếu ta chọn vector này trùng với trục ox của hệ thống toạ độ quay đồng bộ, ta có đồ thị vector như sau:

xjy

Hình 2 1 Đồ thị vector cho phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông rotor

Trong đồ thị trên, ở chế độ xác lập vì tất cả các vector đều quay đồng bộ với hệ trục toạ độ nên góc γ là hằng số và do đó các thành phần của dòng điện chiếu lên hệ trục cũng sẽ là dòng một chiều (biến thiên rất chậm)

Vì trục ox trùng với vector từ thông rotor nên:

0

ry ' rx '

cosii

s sy

s sx

=ψ

r

m s

L

LIm

pi

3

r

m sx

' ry sy

' rx r

L

L

p)i

i

(L

L

=

2

32

Chương 3 Phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía động cơ

Trong phương pháp này phải xác định được vị trí góc của vector từ thông:

sl m

d

;dt

Biên độ của từ thông được tính toán nhận dạng bằng một mô hình từ thông (MHTT) để cung cấp tín hiệu phản hồi cho bộ điều chỉnh giữ biên độ từ thông không đổi Mặt khác, trong đoạn làm việc của đặc tính cơ coi là tuyến tính thì mômen tải tỷ lệ thuận với độ trượt s, hay tốc độ trượt ωsl

Tổng hợp các phân tích trên ta có thể xây dựng một sơ đồ khối của phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor

Hình 2 2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tựa từ thông rotor (FOC)

Ở đây quá trình điều chỉnh tần số được điều chỉnh qua việc điều khiển thành phần isy, tức là làm cho vector is có đầu mút vẽ lên một đoạn quỹ đạo sao cho vẫn điều khiển được mômen mà từ thông rotor được giữ không đổi

Quá trình đó được mô tả như sau, với giả thiết vị trí vector từ thông rotor biến thiên chậm hơn so với vector dòng điện (điện áp) stator

Muốn tăng tốc độ, cần tạo ra mômen điện từ lớn hơn mômen tải, ta phải vừa tăng biên độ is vừa quay nhanh vector is sao cho góc γ lớn hơn trước, để làm được việc này cần tăng tần số chuyển mạch của biến tần Kết quả là mômen điện từ tăng lên và tốc độ rotor bắt đầu tăng lên Khi tốc độ tăng lên thì đồng thời làm cho góc γ giảm dần, khi góc này đạt được giá trị ban đầu (trước khi tăng tốc) thì mômen điện từ cân bằng mômen tải, hệ thống làm việc xác lập với tốc độ ω lớn hơn tốc độ ban đầu

2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔMEN

2.2.1 Khái niệm điều khiển trực tiếp mômen

Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (Direct Torque Control – DTC) được phát triển đầu tiên cho động cơ xoay chiều bởi Depenbrock (1985 – 1988) và Takahashi, Noguchi (1986)

Phương pháp này dựa trên việc xác định vector từ thông móc vòng stator s

ψ của động cơ:

0 s s

s s

s = (u −R i )dt+ψ

ψ ∫ (2.5) Khi bỏ qua sụt áp trên điện trở Rs:

0 s s

(2.7)

Chương 3 Phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía động cơ

Trong trường hợp môđul ψs không đổi, sự thay đổi của tần số trượt tức

thời của véc tơ ψs sẽ khiến cho có sự thay đổi tức thì mômen của động cơ

Vì thế ta cần điều khiển vector từ thông móc vòng của stator sao cho môdul của nó và mômen đạt yêu cầu Bằng cách áp đặt vector điện áp thích hợp lên stator ta có thể đồng thời tác động đến môdul ψs và tần số trượt của

nó Điều này được thực hiện với hai bộ điều chỉnh hai điểm, một bộ điều chỉnh sai số mômen và một bộ điều chỉnh việc từ hoá của động cơ để sai số môdul của véc tơ từ thông móc vòng ( * s

s −ψ

ψ ) nằm trong dải cho phép Đầu

ra của các bộ điều chỉnh này dùng để chọn vector điện áp phù hợp đầu ra của

bộ nghịch lưu theo bảng đóng cắt Việc lựa chọn vector điện áp phụ thuộc vào

hướng của vector từ thông móc vòng stator nên cần có thêm thông tin về vị trí

của vector ψs trong không gian trạng thái

Sơ đồ nguyên lý điều khiển gồm ba khối chính:

- Bộ so sánh mômen/từ thông

- Khối logic chuyển mạch tối ưu

- Mô hình động cơ thích nghi

Bộ so sánh mômen

Bộ so sánh từ thông

(ASIC) Logic chuyển mạch tối ưu

=

~ Biến tần

Mô hình động cơ thích nghi

ĐCKĐB

Mômen đặt

Từ thông đặt

Từ thông thực Mômen thực Tần số thực Tốc độ thực

Trạng thái mômen Trạng thái

từ thông

3 2

1 , S , S S

Trạng thái chuyển mạch Điện áp Udc Dòng điện

Hình 2 3 Nguyên lý điều khiển trực tiếp mômen

Bộ so sánh mômen/từ thông: là những khối điều khiển có trễ Chúng

đảm nhiệm vai trò so sánh giữa giá trị đặt và giá trị thực Từ thông thực và mômen thực thu được từ mô hình toán học động cơ thích nghi Khi sai lệch mômen/từ thông là nhỏ dưới mức hạn chế dưới có trễ thì trạng thái mômen/từ thông đầu ra cần cao nhằm tăng mômen/từ thông và ngược lại Các điểm chuyển mạch hạn chế sai lệch cao và thấp được xác định nhờ đầu vào thay đổi khoảng trễ, đầu vào này quyết định tới tần số chuyển mạch của các thiết bị công suất, tần số này cỡ kHz

Nhiệm vụ của khối logic chuyển mạch ASIC:

Dựa trên các mối quan hệ toán học giữa các vector không gian của từ thông stator, từ thông rotor, dòng điện stator và điện áp stator Mômen động

cơ tỷ lệ với tích có hướng vector từ thông stator và vector từ thông rotor Biên

độ của vector từ thông stator thường được giữ bằng hằng số để điều khiển mômen theo góc γ giữa vector từ thông stator và vector từ thông rotor Do Tr

>> Ts nên từ thông rotor là tương đối ổn định và thay đổi tương đối chậm khi

so sánh với từ thông stator

Khi cần tăng mômen thì khối ASIC sẽ chọn vector điện áp stator Ux nào

có phương tiếp tuyến hơn so với vector từ thông stator, có xu hướng làm nó quay cùng chiều quay với vector từ thông rotor Góc γ lớn được tạo ra làm mômen tăng lên

Khi cần yêu cầu giảm mômen thì khối ASIC sẽ chọn vector điện áp không, làm cho từ thông stator và mômen suy giảm tự nhiên Nếu từ thông giảm, sai lệch giảm dưới giá trị giới hạn dưới thì đầu ra trạng thái từ thông sẽ

là mức cao nhằm yêu cầu tăng từ thông Nếu đầu ra trạng thái mômen tiếp tục

là thấp thì một vector điện áp được chọn để tăng từ thông stator lên

Để minh hoạ cho hoạt động của hệ thống, ta lấy ví dụ như trên hình 2.4, làm giảm nhanh thành phần hướng kính của từ thông đồng thời làm

Chương 3 Phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía động cơ

cho vector từ thông quay theo hướng quay của từ trường, chuyển động này làm tăng góc γ và làm tăng mômen của động cơ Mục đích là bắt ép vector từ thông stator quay theo hướng sao cho đạt được cả hai giá trị mong muốn của

từ thông và mômen của động cơ Logic chuyển mạch chỉ thay đổi khi các giá

trị thực của từ thông stator và mômen động cơ vượt khỏi vùng giá trị đặt với

ngưỡng sai lệch cho phép Ví dụ trên hình 2.5: thời điểm t0 là lúc không cần tăng mômen nữa và do đó vector điện áp được chọn và vector điện áp không, giá trị thực của mômen giảm xuống cho tới khi nó bắt đầu nhỏ hơn ngưỡng sai lệch (M đ – ΔM), lúc này xảy ra quá trình chọn lại vector điện áp để làm

tăng mômen (đoạn t+) Tốc độ tăng mômen của động cơ được xác định bởi bộ điều chỉnh từ thông có ngưỡng

Nhiệm vụ của mô hình toán học động cơ thích nghi:

Tính các tín hiệu phản hồi bên trong như từ thông stator thực, mômen thực, tốc độ thực và tần số thực Các đầu vào mô hình là dòng điện hai pha, điện áp một chiều đầu vào bộ nghịch lưu và các trạng thái chuyển mạch Ngoài ra còn có các tham số của động cơ gồm các tham số đã biết và tham số khác thu được từ các thuật toán nhận dạng

s

ψ

r

ψ γ

Bảng chọn

Biến tần nguồn áp (VSI)

Ước lượng mômen, từ thông stato

Vị trí từ thông

Dòng điện Trạng thái VSI

ĐCKĐB

PI

d ψ ψ d M t M d

ω

ω S ω

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp mômen

Sơ đồ nguyên lý DTC có hai vòng điều chỉnh khác nhau tương ứng với các biên độ từ thông stator và mômen Các giá trị đặt của biên độ từ thông và biên độ mômen được so sánh với các giá trị thực Sai lệch từ thông được đưa vào bộ điều chỉnh từ thông 2 trạng thái, sai lệch mômen được đưa vào bộ điều chỉnh mômen 3 trạng thái Đầu ra của các bộ điều chỉnh này cùng với vị trí

Chương 3 Phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía động cơ

sẽ là vector trạng thái điện áp quyết định việc chuyển mạch nghịch lưu nguồn

áp tương ứng

Bộ ước lượng từ thông và mômen có đầu vào là hai dòng điện pha và trạng thái chuyển mạch của bộ nghịch lưu Ngoài ra, bộ ước lượng có thể được thực hiện nhờ sử dụng hai dòng điện stator và tốc độ động cơ hoặc hai dòng điện stator và vị trí trục động cơ

2 Ước lượng từ thông stator và mômen

Để ước lượng được từ thông stator và mômen thực, có thể sử dụng nhiều

mô hình khác nhau

• Tính từ thông stator và mômen

Mômen điện từ của động cơ không đồng bộ ba pha có thẻ được biểu điễn như sau:

)sin(

.i

pi

p

2

32

3

(2.8)

trong đó:ρs là góc từ thông stator, αs là góc dòng điện; pp là số đôi cực; chúng được tham chiếu tới trục ngang của hệ toạ độ gắn cố định vào stator Qua biểu thức trên cho thấy nếu modul từ thông stator được giữ bằng hằng số

và góc ρs được thay đổi nhanh thì mômen điện từ M sẽ được điều khiển trực tiếp

Có thể biểu diễn mômen dưới dạng biểu thức khác:

)sin(

LLL

Lp

m r s

số thì mômen điện từ có thể được thay đổi nhanh thông qua việc điều khiển góc (ρs −ρr)

Có thể chọn được trạng thái chuyển mạch của biến tần để có từ thông stator mong muốn Nếu giả sử giá trị điện áp rơi trên điện trở stator được bỏ qua thì mối quan hệ giữa từ thông stator và điện áp stator có thể được biểu diễn như sau:

• Ước lượng từ thông stator và mômen sử dụng tốc độ và dòng điện

Bộ ước lượng không cần phép chuyển hệ trục toạ độ mà sử dụng luôn

mô hình toán học động cơ trên hệ trục toạ độ tĩnh gắn với stator

3.ci

i2

3.ci

sA sB s

sA s

(2.10)

Tách thành phần dòng điện rotor ra ta có:

s m r

m r r

r

R

.p.LjR

L.p1.(

ψ

m r r s

r m r

r m r

Chương 3 Phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía động cơ

Từ stator thu được :

=ψ

ψ+

=ψ

β β

β

α α

α

r

m r

m

x s

s

r

m r

m

x s

s

L

L)k('L

L)

k(i)k(

L

L)k('L

L)

k(i)k(

(2.12)

Phương trình mômen thu được:

)ii

(2

p3

- Sử dụng một bộ ước lượng không cần các tín hiệu tốc độ hoặc vị trí

- Tốc độ động cơ có thể được ước lượng và đưa vào bộ ước lượng từ thông

Khi dùng bộ ước lượng từ thông và mômen trên cơ sở phương trình điện

áp và không cần thông tin về tốc độ hoặc vị trí rotor trên hệ toạ độ tĩnh Thì từ trạng thái hiện tại của biến tần và giá trị điện áp Udc ta có thể có các giá trị điện áp cho các pha Các giá trị dòng điện được đo lường tương ứng và lúc đó các thành phần trên các trục toạ độ (α, β) được chuyển đổi thông qua phép chuyển đổi tuyến tính

Biểu thức từ thông stator: ψs =∫(us −Rsis)dt

Biểu diễn dưới dạng biểu thức gián đoạn:

)iRu(Tz1

z

s s s s 1

−ψ

β β

β β

α α

α α

)1k(iRT)1k(u.T)1k()

k(

)1k(iRT)1k(u.T)1k()

k(

s s s s

s s

s

s s s s

s s

V1

) 110 (

V2

) 010 (

V3

) 011 (

V4

)001(

S1

S2 S3

S4 S5

S6

) TD , FI (

) TI , FD (

) TI , FI (

) TD , FD (

Chương 3 Phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía động cơ

Trong một sector thì véc tơ điện áp Vk và Vk+3 không được xem xét vì chúng có thể vừa làm tăng mômen (trong 300đầu) và làm giảm mômen (trong

300 tiếp theo), tương ứng với vị trí của từ thông stator

S1 ÷ S6 là các sector vector không gian stator tương ứng

B ảng 2.2 Bảng chọn vector điện áp khi điều khiển trực tiếp mômen

• Phương pháp DTC cải tiến

Trong phương pháp DTC sơ sở thì bảng chọn có 6 sector, sector đầu tiên

là từ -300 đến +300, và các vector V1 và V4 không được sử dụng Bảng chọn

mới cũng có 6 sector, sector đầu tiên từ 00 đến 600, và các vector V3 và V6không được sử dụng

) 100 (

) 110 (

V2)

010 (

V3

) 011 (

V4

) 001 (

S1

S2 S3

S4

S5

S6

) TI , FI (

) TI , FD (

) TD , FI (

V1

) TD , FD (

Hình 2.8 Sáu vector trong phương pháp DTC cải tiến

Chương 3 Phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía động cơ

• Phương pháp DTC với bảng chọn 12 sector (12_DTC)

Chia quỹ đạo từ thông thành 12 sector, lúc đó tất cả các vector sẽ được

sử dụng trong một sector

)100(

)110(

)010(

)011(

)001(

1 2 3 4 5 6 7 8

9 10

11 12

) TsD , FI (

) TI , FI (

) TI , FD (

) TsI , FD (

) TD , FD (

) TsI , FI (

) TI , FI (

) TI , FD (

) TsD , FD (

) D T , FD (

6

Hình 2.9 DTC với 12 sector