Kỹ thuật điều chế véctơ không gian cho bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khóa trong điều kiện nguồn tụ DC mất cân bằng

Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- LÊ ĐÌNH KHOA KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÉCTƠ KHÔNG GIAN CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA BỐN KHOÁ TRONG ĐIỀU KIỆN NGUỒN TỤ DC MẤT CÂN BẰNG Chuyên ngành :

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

LÊ ĐÌNH KHOA

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÉCTƠ KHÔNG GIAN CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA BỐN KHOÁ TRONG ĐIỀU

KIỆN NGUỒN TỤ DC MẤT CÂN BẰNG

Chuyên ngành : Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2008

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : GVC.TS PHAN QUỐC DŨNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày 15 tháng 06 năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: LÊ ĐÌNH KHOA Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 01-11-1984 Nơi sinh : ĐỒNG NAI Chuyên ngành : Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện MSHV: 01807281 Khoá (Năm trúng tuyển) : 2007

1- TÊN ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÉCTƠ KHÔNG GIAN CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP BA PHA BỐN KHOÁ TRONG ĐIỀU KIỆN NGUỒN

TỤ DC MẤT CÂN BẰNG

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

1 Xây dựng giải thuật điều chế Véctơ không gian cho bộ nghịch lưu áp ba pha

bốn khoá trong điều kiện nguồn tụ DC không cân bằng

2 Xây dựng mô hình mô phỏng điều khiển bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khoá trong điều kiện nguồn tụ DC mất cân bằng

3 Lập trình giải thuật điều chế Véctơ không gian cho bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khoá trong điều kiện nguồn tụ DC không cân bằng trên DSP TMS320LF2407A

4 Thiết kế mô hình bộ biến tần ba pha bốn khoá điều khiển theo giải thuật điều chế Véctơ không gian cho bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khoá trong điều kiện

nguồn tụ DC không cân bằng

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15-06-2008

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30-11-2008

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GVC.TS PHAN QUỐC DŨNG

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

TS PHAN QUỐC DŨNG TS VŨ PHAN TÚ

LỜI CẢM ƠN

Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy Phan Quốc Dũng đã

tận tình hướng dẫn và cung cấp những tài liệu quý giá giúp tôi hoàn thành luận văn này

Đồng thời xin chân thành cảm ơn Thầy Lê Minh Phương và các

thầy cô trong Bộ môn Cung cấp điện khoa Điện –Điện tử đã quan tâm giúp đỡ động viên về tinh thần và vật chất giúp tôi hoàn thành đề tài này

Xin chân thành các Thầy, Cô đã tận tình dạy bảo chúng tôi trong suốt thời gian học Đại học và Cao học, đó là hành trang quý giá giúp tôi trong công việc chuyên môn và cuộc sống

Xin chân thành cảm ơn các anh, các bạn trong lớp cao học Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện khoá 2007 đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học

Cuối cùng con xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu nặng đến Bố, Mẹ đã sinh thành và nuôi con khôn lớn, luôn là chỗ dựa vững chắc về tinh thần và vật chất, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho con học tập và trưởng thành như ngày hôm nay

Lê Đình Khoa

độ 1 và 2 Giải thuật điều chế độ rộng xung véc-tơ không gian đề xuất được kiểm chứng thực nghiệm trên DSP TMS320LF2407A (Texas Instruments)

và hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha theo giải thuật điều khiển V/f

Chương 1 TỔNG QUAN 1

2.1 Phân tích sơ đồ nguyên lý bộ biến tần 3P6K 5

2.3 Phân tích giải thuật điều chế VTKG được đề xuất khi áp trên hai tụ DC cân bằng 10

2.3.2 Vùng quá điều chế chế độ 1 13

Chương 3 XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ CHO TRƯỜNG HỢP MẤT CÂN

3.2 Xây dựng giải thuật điều chế véc-tơ không gian cho trường hợp mất cân bằng điện

3.2.4 Khảo sát sự phụ thuộc của chỉ số điều chế M vào độ sai lệch điện áp ε 26

4.1 Mô hình mô phỏng mô hình bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khoá điều khiển tải RL 27

4.2 Mô hình mô phỏng biến tần ba pha bốn khoá điều khiển mô hình động cơ không

4.2.1 Mô hình quả mô phỏng 31

4.2.2.1 Trường hợp ε = 0.05, M=0.5667 Vùng điều chế tuyến tính 33

4.2.2.2 Trường hợp ε = 0.2, M=0.5667 Vùng quá điều chế chế độ 1 37

Chương 5 THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM BỘ BIẾN TẦN 3 PHA 4 KHÓA ÁP

5.2.4 Mạch lái IGBT 59

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

PHỤ LỤC

HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 1 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khoá

Hiện nay, các bộ biến tần điều khiển vận tốc động cơ không đồng bộ ba pha cấp nguồn từ lưới xoay chiều một pha, ba pha được sử dụng khá rộng rãi cho các ứng dụng hệ truyền động trong nông nghiệp, công nghiệp, máy quạt, máy bơm, máy điều hòa không khí… Các bộ biến tần ngoại nhập có những nhược điểm cơ bản như giá thành cao (các bộ biến tần giá thấp thì chất lượng điều khiển thấp), chương trình điều khiển không thay đổi cập nhật được do không có mã nguồn, việc sửa chữa, bảo trì gặp nhiều khó khăn do không làm chủ được quy trình thiết kế mạch điều khiển

và công suất, không có sơ đồ nguyên lý mạch Để giảm giá thành thông thường người ta giảm tiêu hao vật tư, giảm kích thước, khối lượng các linh kiện, tuy nhiên trong điều kiện hiện tại điều này rất khó thực hiện do công nghệ thiết kế của các hãng đó khá hiện đại và hoàn thiện Vì vậy việc giảm số lượng linh kiện bán dẫn là một trong các giải pháp thường được sử dụng Có khá nhiểu bài báo, công trình đề cập đến việc giảm số lượng linh kiện bán dẫn trong sơ đồ bộ biến tần thông dụng Một trong những sơ đồ biến tần đề xuất đó là sơ đồ bộ nghịch lưu 3 pha bốn khóa (3P4K) với 4 IGBT Sơ đồ được sử dụng cho các hệ truyền động công suất nhỏ

Hình 1.1 Sơ đồ bộ nghịch lưu ba pha 4 khóa (3P4K)

HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 2 

Các nghiên cứu gần đây về lĩnh vực biến tần tiết kiệm ở ngoài nước từ năm

1984-2007 được tóm tắt bằng những điểm chính như sau :

- 1984 : Van Der Broeck H.W., Van Wyk J.D đề xuất cấu hình bộ nghịch lưu ba pha tiết kiệm (4 khóa thay vì 6 khóa) và khả năng điều khiển tốc độ động cơ

ba pha

- 1993 : Enjeti P N et al đã đưa ra các cấu hình bộ biến tần có cấu hình rút gọn (2 IGBT ở khâu chỉnh lưu và 4 IGBT ở khâu nghịch lưu) để chuyển đổi năng lượng từ 1 pha sang 3 pha với các tính năng về giá thành hạ và điều khiển nâng cao

hệ số công suất nguồn Phương pháp điều khiển là loại bỏ sóng hài bậc cao theo yêu cầu bằng cách tính toán ngoại tuyến và tra bảng còn nhiều hạn chế Phương pháp điều khiển vectơ và kỹ thuật sóng mang chưa được đề cập

- 1995 : Jacobina C.B et al đưa ra giải thuật điều khiển vụ hướng và điều khiển vec tơ cho bộ nghịch lưu tiết kiệm (4 khóa) [3], 1996 – nhóm này đề xuất cấu hình biến tần tiết kiệm với ngõ vào 3 pha và ngõ ra cấp nguồn cho động cơ 3 pha Cũng trong năm này, Covic G A et al đề xuất phương pháp điều chế PWM vec tơ không gian dạng bất đối xứng cho bộ biến tần cấu trúc tiết kiệm Covic G A cũng

đã đưa ra phương pháp bù sự mất cân bằng điện áp nguồn DC bằng kỹ thuật SVPWM năm 1997-1999

- 1997 : Darwin T.W Liang cũng đã đề xuất phương pháp SVPWM kế thừa các công trình của nhóm Jacobina nhưng tiếp cận theo cách phân tích từ thông stator

- 1999 : nhóm nghiên cứu Jacobina tiếp tục hoàn thiện phương pháp điều chế PWM vec tơ không gian của mình bằng cách tổng hợp các phương pháp SVPWM

sử dụng các tổ hợp 3 vec tơ không gian trong số 4 vec tơ

- 2004 : Nhóm Rahman M.A., Uddin Nasir (Canada) đề xuất giải thuật điều khiển vec tơ động cơ KĐB 3 pha ứng dụng biến tần 3 pha giá thấp 3P4K [11]

- 2005 : nhóm Jacobina đề xuất bộ biến tần tiết kiệm cấp nguồn cho động cơ KĐB có cuộn dây kẹp, Klima J đưa ra phương pháp giải tích và phân tích Fourier cho bộ nghịch lưu tiết kiệm

HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 3 

- 2006 : nhóm Jacobina tiếp tục đề xuất bộ biến tần tiết kiệm 5 nhánh với khâu chỉnh lưu ba pha PWM và khâu nghịch lưu ba pha PWM Các phương pháp điều khiển vô hướng và điều khiển vec tơ cũng đã được trình bày

- 2006 : nhóm tác giả Mutsuo Nakaoka, Shinichiro Nagai (Nhật) cũng trình bày giải thuật điều khiển kết lưới 3 pha nguồn năng lượng tái tạo dạng DC (PV, Fuel Cell) thông qua bộ chopper dạng boost và bộ nghịch lưu 3P4K [12]

- 2007 : Dong Choon Lee và Young-Sin Kim (Hàn Quốc) cũng đã đề xuất một giải thuật điều khiển tổng hợp bộ chỉnh lưu PWM và bộ nghịch lưu 3P4K trong

hệ truyền động động cơ KĐB 3 pha [8]

1.2 Ưu, khuyết điểm của bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khoá

- So với bộ nghịch lưu áp ba pha sáu khoá bộn 3P4K có một số ưu điểm sau:

• Số lượng khóa công suất giảm đi 1/3

• Số mạch lái giảm đi hai mạch do chỉ còn hai nhánh được điều khiển

• Dù định mức áp cho khóa công suất 3P4K cao hơn, giá thành vẫn giảm vì

tỷ số giá cho khóa nghịch lưu 3P4K và 3P6K thường thấp hơn 3/2

• Giá trị tối đa của điện áp chế độ trung tính chung (common-mode voltage) của 3P4K bằng 2/3 so với 3P6K

- Tuy nhiên bộ nghịch lưu áp 3P4K cũng có một số khuyết điểm so với bộ 3P6K:

• Cần điện áp DC cao hơn

• Điện áp trên tụ dễ mất cân bằng

1.3 Mục tiêu của đề tài:

Đưa ra giải thuật điều khiển biến tần ba pha bốn khóa trong điều kiện nguồn

tụ DC không cân bằng để khắc phục nhược điểm của bộ biến tần ba pha bốn khóa trong quá trình hoạt động điện áp trên hai tụ có thể mất cân bằng dẫn đến giải thuật điều khiển thông thường viết cho trường hợp tụ cân bằng đưa đến kết quả điều khiển không tốt

HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 4 

Thiết kế thử nghiệm bộ biến tần ba pha bốn khóa áp dụng giải thuật trên điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha làm tiền đề cho việc chế tạo biến tần ba pha bốn khoá sử dụng được trong công nghiệp và làm chủ được quy trình thiết kế biến tần gồm khâu thiết kế card điều khiển, thiết kế card công suất và khâu lập trình điều khiển theo giải thuật yêu cầu

Kết quả nghiên cứu mở ra khả năng hợp tác trong nước với các công ty, xí nghiệp đang có nhu cầu về biến tần giá thành thấp, nhu cầu sử dụng hiệu quả, tiết kiệm năng lượng dùng biến tần cho các hệ truyền động và chế độ duy tu, bảo trì tin cậy

HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 5 

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH BỘ NGHỊCH LƯU BỐN KHOÁ

2.1 Phân tích sơ đồ nguyên lý bộ biến tần 3P6K :

Cho các loại động cơ công suất nhỏ và trung bình ( P = 0.37kW- 5.5kW) bộ biến tần có thể sử dụng nguồn xoay chiều một pha ở ngõ vào 200-240VAC hoặc ba pha 380VAC, thông qua chỉnh lưu diode mạch cầu một pha để cấp điện cho nguồn DC,

bộ nghịch lưu áp mạch cầu ba pha 6 IGBT được sử dụng để cấp nguồn cho động cơ

ba pha 200-220V AC: ví dụ ATV58 của hãng Télémécanique, hoặc các hãng khác như OMRON, SIEMENS,…

Hình 2.1 Biến tần 3P6K

Theo phương pháp điều chế véctơ không gian, véctơ không gian tổng (điện áp pha) của bộ nghịch lưu sẽ có giá trị tối đa trong vùng điều chế tuyến tính (undermodulation) (bán kính của đường tròn nội tiếp lục giác đều ) như sau :

, (2.1)

với Vn là mô đun của các véctơ không gian tổng (khác 0) của điện áp pha ngõ ra bộ nghịch lưu áp Với hệ số chuyển trục abc/αβ bằng 2/3 (mô đun véctơ không gian bằng biên độ véctơ pha) , ta có :

Module này sẽ bằng với biên độ điện áp dây

Nếu cuộn dây stator của động cơ mắc dạng tam giác biên độ điện áp dây cần thiết là:

V

(2.5)

HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 7 

2.2 Phân tích sơ đồ nguyên lý bộ biến tần 3P4K :

Bộ biến tần 3P4K sử dụng 2 diode chỉnh lưu và 2 tụ có dung lượng cao và bộ

nghịch lưu 4 khóa, để cấp nguồn cho động cơ mắc dạng tam giác với công suất

tương tự trường hợp trên

Hình 2.3 Biến tần 3P4K

Như vậy áp Vdc cho bộ nghịch lưu khoảng Vdc = 600V (2.6) Theo phương pháp điều chế véctơ không gian, véctơ không gian tổng (điện áp pha) của bộ nghịch lưu sẽ có giá trị tối đa trong vùng điều chế tuyến tính

(undermodulation) (bán kính của đường tròn nội tiếp lục giác đều ) như sau :

, (2.7)

với Vsmall là module của các véctơ không gian tổng cạnh ngắn (u rr ,a u c) của điện áp pha ngõ ra bộ nghịch lưu áp Với hệ số chuyển trục abc/αβ bằng 2/3 (module véctơ không gian bằng biên độ véctơ pha) , ta có :

dc

line

Module này sẽ bằng với biên độ điện áp dây

Nếu cuộn dây stator của động cơ mắc dạng tam giác biên độ điện áp dây cần thiết là:

V

HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 9 

Hình 2.5 Bộ biến tần 3P4K với cấu trúc Bộ chỉnh lưu PWM - Bộ nghịch lưu

3P4K

So sánh kết quả (2.11) và (2.6), có thể đảm bảo cấp điện đúng định mức cho động

cơ 3 pha từ nguồn xoay chiều một pha với sơ đồ hình 2.3

Để ổn định điện áp nguồn DC – bus, cấu trúc chỉnh lưu PWM có thể được sử dụng trong biến tần 3P4K thay vì chỉnh lưu diode (Hình 2.5) Với việc điều khiển hai khóa bán dẫn S5, S6 ngoài việc nâng (boost) và ổn định điện áp khâu tụ lọc DC, dòng nguồn và hệ số công suất nguồn cũng được cải thiện Tuy nhiên vấn đề điều khiển sẽ trở nên phức tạp hơn

Với nguồn vào là xoay chiều ba pha thì cấu trúc biến tần 3P4K gồm bộ chỉnh lưu cầu ba pha diode và bộ nghịch lưu 3P4K cũng được sử dụng (Hình 2.6)

Hình 2.6 Bộ biến tần 3P4K với cấu trúc Bộ chỉnh lưu cầu 3P - Bộ nghịch

lưu 3P4K

- Trên cơ sở phân tích phương pháp điều khiển véctơ không gian cho bộ biến tần ba pha sáu khóa và bộ biến tần ba pha bốn khóa chúng tôi đã đề xuất thuật toán điều

HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 10 

khiển VTKG mới cho bộ biến tần nhằm thiết lập phương pháp điều chế véctơ SVPWM cho bộ nghịch lưu ba pha bốn khóa mô phỏng theo SVPWM của bộ nghịch lưu ba pha sáu khóa khi mặt phẳng αβ được chia làm 6 sector và việc tổng hợp véctơ không gian điện áp yêu cầu cũng được tiến hành một cách tương tự cho trường hợp 3P6K bằng cách sử dụng các véctơ hiệu dụng được trình bày chi tiết trong 2.1.1 Điều này làm cho việc tính toán trở nên dễ dàng hơn đối với 3P4K và một số những kết quả nghiên cứu cho 3P6K cũng có thể áp dụng cho bộ nghịch lưu 3P4K thông qua mối liên hệ được đề xuất này: khả năng giải quyết vấn đề điều biến

độ rộng xung cho vùng quá điều chế - khi việc điều chế khá phức tạp do tính chất phi tuyến của điều chế vùng mở rộng, khả năng đề xuất bảng đóng cắt cải tiến cho phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC), khả năng thiết kế bộ điều chế PWM véc tơ không gian ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo

2.3 Phân tích giải thuật điều chế VTKG được đề xuất khi áp trên hai tụ DC cân bằng:

Các phương pháp SVPWM đã được trình bày trong các công trình khoa học [4,13,14,15] đều dựa trên sự tổng hợp véctơ không gian tổng trên mặt phẳng αβ được chia làm 4 vùng (sector I IV) Các véctơ cơ bản và thời gian duy trì véctơ

trong một chu kỳ điều chế được chọn và tính toán dựa trên vị trí của véctơ V ref cần tổng hợp tương ứng với các vùng này

Phương pháp SVPWM đề xuất trong đề tài này dựa trên việc mô phỏng giải thuật điều chế véctơ không gian của bộ nghịch lưu B6, trong đó mặt phẳng αβ được

chia làm 6 vùng và việc tổng hợp véctơ V ref cũng được tiến hành một cách tương tự cho trường hợp B6 Điều này làm cho việc tính toán trở nên dễ dàng hơn đối với B4

và một số những kết quả nghiên cứu cho B6 cũng có thể áp dụng cho bộ nghịch lưu B4 thông qua mối liên hệ được đề xuất này

Để mô phỏng 6 véctơ không gian khác 0 của bộ nghịch lưu áp B6, trong phương

pháp đề xuất, ngoài véctơ cơ bản V 1 và V 3 , sử dụng thêm các véctơ hiệu dụng V 23M ,

V 34M , V 41M và V 12M Các véctơ này được tổng hợp như sau :

HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 11 

32

1

;32

1

;32

1

;32

1

3 2

1 12

1 4

41

3 2 4

3 34

0 3

2

23

π π

π

j dc M

j dc M

j dc M

j dc M

e

V V V V

e

V V V

V

e

V V V V

e

V V V

V

−

=+

=

=+

=

=+

=

=+

=

rrr

rr

r

rrr

rr

r

(2.12)

Hình 2.7 Các vùng (I VI) trong phương

pháp điều chế véc tơ không gian đề xuất

cho biến tần 3P4K theo nguyên lý tương

véc tơ điện áp yêu cầu V ref được trình bày ở bảng 2.2

Phân tích điều chế vector không gian trong biến tần 3P4K trên nguyên lý tương

tự biến tần B6 được trình bày dưới đây:

HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 12 

Bảng 2.1 Mối liên quan giữa các véc-tơ không gian B4 và B6

Véc-tơ cơ bản trong

2.3.1 Trong vùng điều chế tuyến tính (0 < M < 0.907)

Trong vùng này, véc-tơ không gian điện áp yêu cầu xoay trong hình lục giác Kỹ thuật điều chế VTKG trong vùng này dựa trên cơ sở tạo ra 3 véc tơ điện áp tuần tự trong một chu kỳ đóng cắt (lấy mẫu) Ts sao cho điện áp ngõ ra trung bình tương ứng với điện áp yêu cầu Các phương trình tính toán thời gian cho các trạng thái chuyển mạch bộ nghịch lưu 3P6K và 3P4K được mô tả như sau cho ½ Ts : [16]

HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 13 

M - tỷ số điều biên M = V*/V1sw (V* - biên độ của véc tơ điện áp yêu cầu, V1sw – giá trị đỉnh của điện áp six-step )

Tuy nhiên, trong bộ nghịch lưu 3P4K, do các véctơ hiệu dụng tXYM và các véctơ

t0M được tổng hợp từ 2 véctơ cơ bản nên thời gian duy trì các véctơ cơ bản sẽ có giá trị bằng ½ thời gian duy trì các véctơ hiệu dụng và véctơ 0 nói trên

Để đảm bảo sự tiếp cận một cách tốt nhất trên cơ sở giảm thiểu sự sai biệt giữa quỹ tích véctơ Ψr và Ψr*, sự tiếp cận được thực hiện theo phương pháp đối xứng và

từ hai phía

Ví dụ tính toán cho vùng I : Các véc tơ hiệu dụng : V 23M , V 3 , V 0M, trong đó

V 23M , V 0M được xác định theo công thức (2.15):

2

;2

;2

;

2

;2

/

;sin

3

;3/sin3

0 1

0 3

23 3

23

2

3 23 3

23

f z

f z

f m

f

m

f f s

of z s

f y s

f

x

t t

t t

t t

t

t

t t T t t MT

t t MT

π

Như vậy, tổng thời gian duy trì các véc tơ cơ bản V1, V2, V3 sẽ là:

z m f V m V

Tương tự trong bộ nghịch lưu 3P6K, chế độ này bắt đầu khi véc tơ điện áp yêu

cầu V ref vượt quá vòng tròn nội tiếp lục giác đều và đạt đến các cạnh của hình lục

giác Khi trượt trên cạnh lục giác (M=0.952) thì tz bằng 0 :

0

;1

;2sincos

3

sincos

αα

Giống như trường hợp điều chế tuyến tính, các véctơ hiệu dụng tXYM và các véctơ

t0M được tổng hợp từ 2 véctơ cơ bản nên thời gian duy trì các véctơ cơ bản sẽ có giá trị bằng ½ thời gian duy trì các véctơ hiệu dụng và véctơ 0 nói trên

Khi M = 0.907, các giá trị tx, ty, tz đượctính theo công thức (2.15)

HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 14 

Cho 0.907<M<0.952 áp dụng phương pháp xấp xỉ tuyến tính để tính toán các giá trị tx, ty, tz

2.3.3 Vùng quá điều chế chế độ 2 (0.952 ≤ M ≤1)

Tương tự trong bộ nghịch lưu B6, ở quá điều chế chế độ 2, véc tơ điện áp yêu cầu

V ref tăng cho đến chế độ six-step

Khi tỷ số điều biên M=1, việc điều chế được chia làm 2 trường hợp :

Khi M = 0.952, các giá trị tx, ty, tz đượctính theo công thức (2.17)

Cho 0.952<M<1 áp dụng phương pháp xấp xỉ tuyến tính để tính toán các giá trị tx,

ty, tz

Hình 2.9 Giản đồ xung điều khiển đóng cắt khóa theo phương pháp đề xuất

Phần mềm mô phỏng Matlab/ Simulink được sử dụng để mô phỏng bộ điều chế véctơ không gian với phương pháp đề xuất cho các chế độ tuyến tính, quá điều chế chế độ 1 và 2

;

2

;2

/

;sin3

;3/sin3

0 1

0 3

23 3

23

2

3 23 3

23

f z

f z

f m

f

m

f f s

of

z

s f

y

s f

x

t t

t t

t t

t

t

t t T

t

t

MT t

t

MT t

απ

( )

2

;2

;2

;2

;2

/

;sin3

;3/sin3

0 1

0 3

34 4

34 3

34 3 34

3

f z

f z

f m

f m

f f s

of z

s f

y

s f

x

t t

t t

t t

t t

t t T t t

MT t

t

MT t

αππ

⇒ t V1 =t1z;t V2 =t2m;t V3 =t3f +t3m +t3z ⇒

z m f V m V z

;

2

;2

/

;sin3

;3/sin3

0 1

0

3

41 1 41 34 4

34

3

41 34 41

34

f z

f

z

f m f f m

f

m

f f s

of

z

s f

y

s f

x

t t

t

t

t t t t t

t

t

t t T

t

t

MT t

t

MT t

t

=

=

=+

απ

( )

2

;2

;2

;2

;2

/

;sin3

;3/sin3

0 1

0 3

41 1

41 4

1 41 1

41

f z

f z

f m

f m

f f s

of z

s f

y

s f

x

t t

t t

t t

t t

t t T t t

MT t

t

MT t

αππ

⇒ t V1 =t1m +t1z;t V4 =t4m;t V3 =t3m+t3z ⇒ t V1 =t1f +t1m +t1z;t V4 =t4m;t V3 =t3z

/

;sin3

;3/sin3

0 1

0

3

12 2

12 1 12 1 12

1

f z

f

z

f m

f m f f s

of

z

s f

y

s f

x

t t

t

t

t t

t t t t T

t

t

MT t

t

MT t

απ

( )

2

;2

2

;22

;2

;2

/

;sin3

;3/sin3

0 1

0 3

23 3 23 12 2

12 1

23 12 23

12

f z

f z

f m f f m

f m

f f s

of z

s f

y

s f

x

t t

t t

t t t t t

t t

t t T t t

MT t

t

MT t

t

=

=

=+

αππ

⇒ t V1 =t1f +t1m+t1z;t V2 =t2m;t V3 =t3z ⇒ t V1=t1m +t1z;t V2 =t2m;t V3 =t3m +t3z

Hình 3.1 Biến tần 3P4K khi nguồn DC không cân bằng

Bộ nghịch lưu 3P4K có hiện tượng mất cân bằng điện áp trên hai nhánh tụ Điều này dẫn đến việc tổng hợp điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu theo véc-tơ điện áp yêu cầu dựa trên cơ sở các véctơ cơ bản truyền thống sẽ trở nên khó khăn Do đó, vấn đề được đặt ra là việc tổng hợp điện áp ngõ ra cấp cho tải theo phương pháp điều rộng xung VTKG được thực hiện trong điều kiện nguồn DC trên hai tụ điện không bằng nhau, vì điều này có vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng của bộ nghịch lưu áp

Có hai hướng để giải quyết vấn đề trên: thứ nhất là tăng điện dung của tụ, tuy nhiên, cách này làm tăng chi phí và kích thước nghịch lưu Hướng thứ hai có hiệu quả kinh tế hơn là dùng phương pháp ĐCVTKG trong thời gian thực (còn gọi là điều chế VTKG thích nghi), khi các tín hiệu điều khiển đóng cắt trong trường hợp

áp tụ DC không cân bằng được tính toán trực tiếp từ các véc-tơ cơ bản của bộ B4 và điện áp thực tế trên hai tụ DC

Các nghiên cứu về ĐCVTKG trong điều kiện áp tụ DC không cân bằng được đề xuất bởi [4,7] cho vùng quá điều chế vẫn chưa được giải quyết, ngoài ra nếu áp

MẤT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ DC

dụng kỹ thuật điều khiển trực tiếp mô men (DTC) cho hệ truyền động động cơ KĐB cũng sẽ chưa tối ưu

3.1 Phân tích véc-tơ không gian điện áp:

Dựa vào hình 11, điện áp ở đầu ra bộ nghịch lưu phụ thuộc vào trạng thái các khoá S1, S2, S3, S4 Trong đó, “0” ứng với trạng thái kích ngắt của khóa, “1” ứng với trạng thái kích đóng của khóa Sử dụng nguyên tắc kích đối nghịch (một đóng, một ngắt) các khóa trên cùng một nhánh, ta có:

1

;12 3

4 1

=+

=+

S S

S S

Điện áp các pha so với điểm 0 (Zero) được mô tả theo các công thức sau:

2 3 1 3 0

2 1 1 1 0

0

)1(

;)1(

;0

V S

V S V

V S V S V

=

−+

=

=

dc dc

dc dc

; 2

MẤT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ DC

Bảng 3.1 Điện áp pha-zero

Bảng 3.2 Điện áp pha Van, Vbn, Vcn

Khi dùng ma trận chuyển đổi hệ trục abc sang hệ trục α,β ta được bốn véc tơ cơ bản của bộ nghịch lưu áp bap ha bốn khoá trong hệ trục α,β như trong bảng 3.3

Bảng 3.3 Véc-tơ không gian điện áp stator trên hệ trục α,β

MẤT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ DC

Hình 3.2 Véc-tơ không gian điện áp cơ bản của bộ 3P4K trong hệ trục α,β

3.2 Xây dựng giải thuật điều chế véc-tơ không gian cho trường hợp mất cân bằng điện áp tụ DC

Dựa vào ý tưởng điều chế véc-tơ không gian của bộ nghịch lưu 3P6K, từ giản đồ véc-tơ cho trường hợp 3P4K, ta thực hiện chuyển đổi về dạng giản đồ véc-tơ cho 3P6K

Hình 3.3 Véc-tơ không gian của bộ B4

MẤT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ DC

1 4

' 6 4 3

' 5 3

'

4

3 2

' 3 2 1

' 2 1

v

v d v v v v b v v

a

v

rrrrrrr

r

rrrrrrr

r

+

=+

=

=

+

=+

V

V c

e c a b V

V a

2 1

2 1

;

1

;

2 1

;

;

;1

V

V e e c d

V

V c V

V b a

dc dc

Để tạo véc-tơ không hiệu dụng của bộ 3P6K V ′r0

, ta sử dụng véc-tơ Vr1

và Vr3trong một khoảng thời gian t1 và t3:

3 3 1 1

3.2.1 Vùng điều chế tuyến tính: (0 < M < Mmax_tuyến tính)

Chế độ điều chế tuyến tính được thực hiện khi điện áp yêu cầu xoay trong đường tròn nội tiếp hình lục giác Xét trong vùng I, ta có được công thức tính toán thời gian duy trì các véc-tơ cơ bản trong một nửa khoảng thời gian lấy mẫu Ts/2

MẤT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ DC

y t x t s T

z

t

s T M k

y

t

s T M k

);

sin(

2 3

);

3 / sin(

2 3

α π

α π π

(3.9)

Với: M là chỉ số điều chế ;

k là hệ số hiệu chỉnh, k=1/c

Tính toán tương tự cho các vùng còn lại, ta có được thời gian duy trì các véc-tơ

cơ bản để tạo ra điện áp theo đúng yêu cầu và cách tạo xung như hình 3.5

Vùng I, II, III Vùng IV, V, VI

Hình 3.5: Giản đồ xung điều khiển khóa S1, S3

Bảng 3.4 Thời gian duy trì các véc tơ theo phương pháp điều chế VTKG đề xuất

Vùng I

y t x t s

T

z

t

s T M k

2

3'

2

)3/sin(

2

3'

1

απ

αππ

;2

;1

1 at x bt y t t v ct y t v t

v

Vùng II

MẤT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ DC

y t x t s

T

z

t

s T M k

2

3'

3

)3/sin(

2

3'

2

απ

αππ

);

(2

;1

T

z

t

s T M k

2

3'

4

)3/sin(

2

3'

3

απ

αππ

;2

T

z

t

s T M k

2

3'

5

)3/sin(

2

3'

4

απ

αππ

;

1

1

Vùng V

MẤT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ DC

y t x t s

T

z

t

s T M k

2

3'

6

)3/sin(

2

3'

5

απ

απ

4

;33

;1

T

z

t

s T M k

2

3'

1

)3/sin(

2

3'

6

απ

αππ

;11

3.2.2 Quá điều chế chế độ 1(M max_tuyến tính ≤ M ≤ M max_chế độ 1 )

Tương tự bộ nghịch lưu B6, chế độ này bắt đầu khi véctơ điện áp yêu cầu vượt

ra ngoài đường tròn nội tiếp và đạt đến các cạnh của hình lục giác

Khi véc-tơ điện áp trượt trên cạnh của hình lục giác (tương ứng với chỉ số điều chế lớn nhất ở chế độ 1), công thức tính thời gian duy trì véc-tơ được cho bởi:

0

;2

;2sincos

3

sincos

t

αα

αα

Khi véc-tơ điện áp trượt trên đường tròn nội tiếp lục giác ( tương ứng với chỉ số điều chế thấp nhất ở chế độ 1), công thức tính thời gian duy trì véc-tơ tương tự ở vùng điều chế tuyến tính Khi chỉ số điều chế nằm giữa chỉ số điều chế nhỏ nhất và

TtinhMmax_tuyenπ

3k

và giá trị tx khi chỉ số điều chế m= Mmax_chế độ 1 là :

tx2=

2s

Tsinαcosα3

sinαcosα3

tinhMmax_tuyen1

Mmax_chedo x1

tx2

tx1

Tương tự cho các vùng khác

Cách tạo và tính toán thời gian duy trì véc-tơ 0 tương tự như phần điều chế tuyến tính

3.2.3 Quá điều chế chế độ 2 (M max_chế độ 1 ≤ M ≤M max_chế độ 2 )

Quá điều chế chế độ 2 bắt đầu khi véc-tơ điện áp yêu cầu tăng cho đến chế độ six-step Khi véc-tơ điện áp trượt trên chu vi hình lục giác (tương ứng với chỉ số điều chế nhỏ nhất ở chế độ 2), công thức tính tx, ty, tz tương tự chế độ 1 Khi véc-tơ điện áp đạt chế độ six-step, ta có công thức :

3/6

/ ,0,2

,

0

6/0

,0,0

,

2

παπ

πα

MẤT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ DC

3.2.4 Khảo sát sự phụ thuộc của chỉ số điều chế M vào độ sai lệch điện áp ε

Khi có sự sai lệch điện áp trên các tụ DC, bán kính hình tròn nội tiếp, chu vi hình lục giác và bán kính đường tròn ngoại tiếp hình lục giác cũng giảm theo Kết hợp với công thức tính chỉ số điều chế M khi chưa có sự lệch điện áp, ta có công thức liên hệ:

Dưói đây là bảng giá trị chỉ số điều chế lớn nhất tương ứng với từng giá trị của ε

Bảng 3.5 Giá trị tối đa của tỷ số điều biên theo ε

Giá trị M lớn nhất của mỗi vùng điều chế

Như vậy, tương ứng với mỗi giá trị độ lệch điện áp, chỉ số điều chế cho mỗi chế

độ sẽ có một giới hạn khác nhau Khi độ lệch điện áp càng lớn, chỉ số điều chế lớn nhất của từng vùng cũng giảm theo, điều này rất quan trọng khi ta xét vùng điều chế đang hoạt động để đưa ra giải thuật hợp lý cho từng vùng

Đối với giải thuật không xét đến mất cân bằng điện áp trên hai nhánh tụ thì lúc điều chế véc tơ không gian cũng không xét đến sự thay đổi của các giá trị biên của các vùng điều chế tuyến tính và quá điều chế dẫn đến kết quả tổng hợp véc tơ điện

áp yêu cầu không còn đúng

HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 27 

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG BỘ BIẾN TẦN BA PHA BỐN KHOÁ

Để chứng minh tính chính xác của giải thuật đề xuất trong luận văn Tác giả dùng phần mềm Matlab/ Simulink để mô phỏng mô hình biến tần ba pha bốn khoá điều khiển mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha

4.1 Mô hình mô phỏng mô hình bộ nghịch lưu áp ba pha bốn khoá điều khiển tải RL

Van

Vbn

Vcn

SVPWM controlFunction

-0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2

Hình 4.3 Quỹ tích từ thông

Hình 4.4 Phổ điện áp dây Vab theo giải thuật

truyền thống

Hình 4.5 Phổ điện áp dây Vab theo

giải thuật đề xuất

-2 -1 0 1 2 3

Time, [s]

Hình 4.7 Giản đồ dòng pha khi sử

dụng giải thuật đề xuất

-3 -2 -1 0 1 2 3 4

Time, [s]

Hình 4.9 Giản đồ dòng pha khi sử dụng

giải thuật đề xuất cho vùng quá điều chế chế độ 1, M=0.85

Hình 4.10 Quỹ tích từ thông trong vùng

quá điều chế chế độ hai, M=0.9

0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -5

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Time, [s]

Hình 4.11 Giản đồ dòng pha khi sử dụng

giải thuật đề xuất cho vùng quá điều chế

2, M=0.9

c Trường hợp 3: Cho vùng điều chế tuyến tính với M=0.7 ; Chúng ta xét

điện áp DC trên hai tụ mất cân bằng và điện áp trên một tụ dao động

Vdc=300+10sin(100πt) V1=140, V2=Vdc-V1

-0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2

Hình 4.13 Quỹ tích từ thông với giải

-3 -2 -1 0 1 2 3

HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 31 

Bảng 4.1 Tóm tắt kết quả mô phỏng cho trường hợp 1 và 2

Điện áp tham khảoV1ref , [V] 47.26 57.39 60.77

Điện áp tải hài bậc một mô

0.5349 0.5359 0.5248

4.6328 4.6321 4.6334

4.1.3 Nhận xét :

• Với giải thuật đề xuất thì dòng điện ba pha trên tải RL cân bằng trong

vùng điều chế tuyến tính và cả vùng quá điều chế chế độ 1 và 2 trong khi đó giải thuật không xét tới sự mất cân bằng điện áp tụ thì kết quả dòng ba pha mất cân bằng

• So với phương pháp six step thì hệ số méo dạng áp pha của phương

pháp đề suất thấp hơn nhiều

• Quỹ đạo từ thông của giải thuật đề xuất cho kết quả tốt trong khi giải

thuật không xét tới mất cân bằng điện áp tụ cho kết quả không tốt

4.2 Mô hình mô phỏng biến tần ba pha bốn khoá điều khiển mô hình động

cơ không đồng bộ ba pha theo nguyên lý V/f=const

4.2.1 Mô hình mô phỏng

Thông số mô hình động cơ

HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 32 

van toc dat

w

tu thong 1 phi

tu thong

time t

tao _xung 1

ramp

d_on out1

out2

tao _xung

ramp

d_on out1

out2

song_tam _giac

gain offset freq time out

Toc do dat Wref

So sanh toc do

Moment 1 Te

dA_on

dB_on

Khau chuyen truc

Phi_s_beta Phi_s_alfa Phi

Inverter

s1 s2 s3 s4 err Vbeta Valpha

Hien thi gia tri M 0.7667

Dong ba pha

Dong I

Do lech err 0.05

0 5e3 1

HVTH: LÊ ĐÌNH KHOA  Trang 33 

Cấu trúc chính của mô hình gồm có khối động cơ xoay chiều ba pha AC, bộ

nghịch lưu bốn khoá và khối tạo xung kích tần số 5Khz cho bộ nghịch lưu Mô hình

này sử dụng phương pháp điều khiển V/f để xác định chỉ số điều chế M của bộ

nghịch lưu ứng vận tốc đặt đầu vào của động cơ Ngoài ra, ta cũng có thể khảo sát

moment và dòng điện đi qua động cơ thông qua mô hình này Trong mô hình mô

phỏng này ta đặt mô men đặt thay đổi: Tai thời điểm 0.3s ta đóng vào một tải có giá

trị 10 N.m và tại thời điểm 0.6 s ta thay đổi mô men có giá trị 5 N.m

4.2.2 Kết quả mô phỏng

4.2.2.1 Trường hợp ε = 0.05, M=0.5667 Vùng điều chế tuyến tính

a Giải thuật không xét đến mất cân bằng điện áp trên hai tụ