Simulink để mô phỏng bộ đia6ù khiển nghịch lưu ba pha theo phương pháp điều chế độ rộng xung

Ứng dụng Matlab - Simulink để mô phỏng bộ điều khiển nghịch lưu cầu ba pha theo phương pháp điều chế độ rộng xung 03-10-2009 10:37:58 Với đặc điểm cấu trúc đơn giản và giá thành thấp, độ

Ứng dụng Matlab - Simulink để mô phỏng bộ điều khiển nghịch lưu cầu ba pha theo phương pháp điều chế độ rộng xung (03-10-2009 10:37:58)

Với đặc điểm cấu trúc đơn giản và giá thành thấp, động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) được

sử dụng ngày càng nhiều trong các hệ thống truyền động điện công nghiệp Như chúng ta

đã biết, một ĐCKĐB hoạt động ở tốc độ định mức khi nó được cung cấp điện áp định mức

và mang tải định mức.

Tuy nhiên trong các ứng dụng thực tế hầu hết các động cơ không làm việc với tốc độ không đổi, với các ứng dụng mà tốc độ động cơ phải thay đổi liên tục theo đặc tính của tải, thì việc chủ động điều khiển được tốc độ động cơ là rất quan trọng So với động cơ điện một chiều, việc điều khiển tốc độ ĐCKĐB gặp nhiều khó khăn do đặc điểm thông số của ĐCKĐB là các đại lượng biến đổi theo thời gian, cũng như cấu trúc của ĐCKĐB so với động cơ một chiều

Hiện nay, trong các hệ truyền động sử dụng ĐCKĐB, để thay

đổi tốc độ người ta sử dụng một số phương pháp như thay đổi

điện trở phụ roto, thay đổi điện áp stato thay đổi số đôi cực p,

thay đổi tần số điện áp stato [1] Tốc độ của ĐCKĐB tỉ lệ trực

tiếp với tần số nguồn cung cấp Do đó, nếu thay đổi tần số của

nguồn cung cấp cho động cơ thì sẽ thay đổi được tốc độ của

động cơ Tuy nhiên việc thay đổi tần số lưới điện cấp cho động cơ là không thể, chính vì lý do này mà khái niêm về bộ biến đổi tần số trong điều khiển tốc độ ĐCKĐB ra đời Variable Frequency Drive (VFD)

VFD không chỉ có khả năng thay đổi tốc độ động cơ mà còn giúp giảm năng lượng tiêu thụ của hệ thống Có nhiều hệ thống mà năng lượng tiêu thụ của hệ tỉ lệ bậc ba, bậc bốn với tốc độ của động cơ như quạt gió, máy bơm Ví dụ: một máy bơm ly tâm khi tốc độ giảm 20% thì năng lượng tiêu thụ giảm tới 50% [4]

Trong một thiết bị VFD thì khâu quan trọng nhất chính là khâu biến đổi từ nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều hai hoặc

Hình 1 Sơ đồ nghịch lưu 3 pha nguồn áp hình cầu

ba pha với tần số của nguồn tạo ra có thể thay đổi được Khâu này được gọi là nghịch lưu (hình 1) Để một bộ VFD làm việc như mong muốn thì việc điều khiển khâu nghịch lưu làm việc như thế nào là vô cùng quan trọng Một số tài liệu [1], [2] chỉ ra phương pháp tốt nhất để điều khiển khâu nghịch lưu là phương pháp điều chế độ rộng xung Pulse Width Modulation ( PWM )

Để chứng minh điều này, tác giả sử dụng công cụ Matlab-Simulink để tiến hành mô phỏng bộ điều khiển nghịch lưu cầu ba pha theo

Phần còn lại của bài báo được bố cục như sau : Nguyên lý của phương pháp PWM được trình bày ở phần 2; thuật toán điều chế và kết quả mô phỏng bằng công cụ Matlab-Simulink được trình bày ở phần

3; cuối bài báo là phần kết luận

Nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM)

Điều chế độ rộng xung là thực hiện việc tạo ra các chuỗi xung vuông

liên tục để đưa vào chân điều khiển của các van bán dẫn trong

nghịch lưu (hình 1) Các chuỗi xung này được điều khiển độ rộng và

phối hợp sao cho nhận được điện áp ra tải gần với hình sin nhất Chu

kỳ đóng – mở của các van bán dẫn tương ứng với chu kỳ của xung

điều khiển Độ rộng của xung điều khiển được tạo ra sao cho có độ

rộng lớn nhất ở đỉnh của sóng hình sin và nhỏ nhất ở những điểm

sóng sin bằng không Chú ý rằng diện tích của mỗi xung tương ứng

gần với diện tích dưới dạng sóng hình sin mong muốn giữa hai

khoảng mở liên tiếp của van bán dẫn Dạng điều khiển này được gọi là điều chế theo độ rộng xung

Điều khiển độ rộng xung đơn cực là thực hiện điều khiển các van bán dẫn trong nghịch lưu theo từng van riêng biệt, xung tạo ra có những phần ở mức điện áp dương và có những phần bằng không

Để xác định được các thời điểm mồi cần thiết theo phương pháp PWM, thuật toán được lựa chọn là tạo ra một sóng hình sin chuẩn mong muốn và so sánh nó với các dãy xung tam giác được biểu diễn trên hình 2, giao điểm giữa hai sóng đó xác định thời điểm mồi

Hình 2a vẽ giản đồ điện áp đầu ra cực đại

Hình 2b cho thấy khi muốn sóng cơ bản điện áp đầu ra giảm đi một nửa thì sóng sin chuẩn phải giảm đi một nửa

Hình 2c cho thấy khi giảm tần số sóng sin chuẩn thì số xung ở mỗi nửa chu kỳ tăng lên

Hình 2: Nguyên lý điều chế độ rộng xung đơn cực

* Điều chế độ rộng xung lưỡng cực:

Phương pháp điều chế độ rộng xung lưỡng cực thực hiện điều khiển

các van bán dẫn IGBT theo từng cặp Điện áp ra trên tải là một chuỗi

xung có độ rộng khác nhau, không có những đoạn u = 0 (Hình 3)

Giải pháp xử lý khi áp dụng phương pháp PWM

Trên cơ sở phương pháp điều chế PWM (mục II), để dạng sóng thu được càng gần với hình sin, giải pháp được đưa ra là tuyến tính hóa từng đoạn sóng hình sin mà ta cần tạo ra Cụ thể như sau:

Xét trên một pha bất kỳ trong khoảng thời gian là một nửa chu kỳ, đây là khoảng thời gian điều khiển mở một van nào đó trong 6 van IGBT của nghịch lưu trong một chu kỳ Khoảng thời gian nửa chu kỳ này được chia thành nhiều khoảng thời gian T đều nhau, trong mỗi một khoảng thời gian T đó các xung phát ra có độ rộng hoàn toàn giống nhau (Hình 4)

Hình 4 Nguyên lý phát xung điều khiển

Độ rộng của xung điều khiển tăng dần khi chuyển từ khoảng thời gian T này sang khoảng thời gian T liền sau đó ở giai đoạn tăng của một nửa sóng sin (Hình 4)

Độ rộng của xung điều khiển giảm dần khi chuyển từ khoảng thời gian T này sang khoảng thời gian T liền sau đó ở giai đoạn giảm của một nửa sóng sin (Hình 4)

Xung điều khiển cho một IGBT sẽ được điều chế như hình 4 theo nguyên lý điều chế độ rộng xung đơn cực Theo đó nguyên lý làm việc

Hình 2: Nguyên lý điều chế độ rộng xung lưỡng cực

như sau:

T chính là khoảng thời gian chia để tuyến tính hóa, khi khoảng thời gian T càng nhỏ thì đặc tính của điện áp thu được càng gần với hình sin hơn

Khoảng thời gian T được tính toán theo công thức:

Khi đó khoảng thời gian trễ giữa hai pha của nguồn ba pha được tạo ra là:

Để kết quả của các phép tính toán được chẵn và giảm sai số tốt nhất nên chọn n chia hết cho 3

chính là độ rộng của một xung điều khiển Độ rộng của xung điều khiển đặc trưng cho giá trị của điện áp ra trong khoảng thời gian T Dựa trên biên độ của dạng sóng sin muốn tạo ra, có thể tính toán được độ rộng xung ở các khoảng thời gian T khác nhau trong một chu

kỳ của sóng sin Độ rộng xung ở khoảng thời gian T đầu tiên được tính toán như sau:

Độ rộng xung tạo ra

a Số xung tạo ra trong khoảng thời gian T

f Tần số của sóng sin muốn tạo ra

U Biên độ cực đại của sóng sin muốn tạo ra

Mô phỏng Matlab hệ thống điều khiển nghịch lưu theo phương pháp PWM

Từ những giả thiết và phương pháp đưa ra ở trên, ta xây dựng mô hình Matlab mô phỏng một hệ nghịch lưu cầu ba pha điều khiển động cơ từ thư viện SimPowerSystem (Hình 5) Trình tự phát xung được thực hiện đúng như thuật toán trình bày ở mục III

(Giây)

(Giây)

(Giây)

Hình 5 Mô hình mô phỏng nghịch lưu cầu ba pha nguồn áp

Hình 6 Tốc độ góc và dòng phần ứng động cơ khi

f = fđm = 50Hz

Hình 7 Tốc độ góc và dòng phần ứng động cơ khi

Hình 8 Tốc độ góc và dòng phần ứng động cơ khí

Bài toán mô phỏng áp dụng cho một ĐCKĐB ba pha có thông số như sau:

Công suất P = 15(KW)

Điện áp định mứcU = 400 (V)

Tần số f = 50 (Hz)

Tốc độ định mức ω="1460" (vòng/phút)

Tải đặt vào động cơ Mc = 0,0028.ω2 (Nm)

Xét hệ trong ba trường hợp tần số khác nhau theo nguyên tắc U/f2 = const Trong mô hình này, chọn n="12."

Từ mô hình này, điều khiển băm xung áp với các trường hợp tần số khác nhau gồm các giá trị f = fđm,

ta có các kết quả về tốc độ động cơ và dòng điện phần ứng như các hình 6, hình 7, hình 8

Quan sát các hình 6, hình 7, hình 8 có thể thấy rằng khi tần số nguồn cấp cho động cơ giảm thì tốc độ giảm, kéo theo đó dòng phần ứng cũng giảm Thêm vào đó, việc giảm điện áp phần ứng U một cách chủ động theo nguyên tắc U/f2 = const dẫn đến năng lượng mà động

cơ tiêu thụ cũng giảm theo

Kết luận:

Kết quả mô phỏng Matlab cho thấy rằng đặc tính của dòng điện chạy trong phần ứng của động cơ đo được có dạng rất gần với hình sin Năng lượng mà động cơ tiêu thụ giảm khi động cơ làm việc ở tốc độ dưới định mức Đây sẽ là cơ sở lý thuyết để ứng dụng vi điều khiển vào thực hiện bài toán điều khiển nghịch lưu, vấn đề đặt ra là tham số n bằng bao nhiêu cho phù hợp Từ đó xây dựng bộ điều khiển VFD trong các bài toán tiết kiệm năng lượng Vấn đề này sẽ được trình bày ở bài báo tiếp theo

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] PGS TS Bùi Đình Tiếu, Giáo trình truyền động điện, NXB Giáo dục, 2004 [2] PGS TS Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB Giáo dục, 1998 [3] R.Parekh, AC Induction Motor Fundamentals (DS00887), Microchip Technology Inc., 2003 [4] R.Parekh, VF Control of 3-Phase Induction Motors Using PIC16F7X7 Microcontrollers (DS00889), Microchip Technology Inc., 2004