Ứng dụng kỹ thuật số trong kỹ thuật điều chế vector không gian

Vector không gian của các đại lượng ba pha 5 I.1 Xây dựng vector không gian 5 I.2 Chuyển đổi hệ tọa độ vector không gian 7 I.3 Khái quát ưu thế của việc mô tả động cơ xoay chiều ba pha

Trang 1

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN QUỐC HÀ Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 15_ 10_ 1974 Nơi sinh: THÁI NGUYÊN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

I- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SỐ TRONG KỸ THUẬT ĐIỀU

CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu lý thuyết véc tơ không gian

Nghiên cứu kỹ thuật điều chế véc tơ không gian

Mô phỏng ứng dụng kỹ thuật số trong kỹ thuật điều chế véc tơ không gian để điều khiển bộ nghịch lưu

II- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2003

III- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/12/2003

IV- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN VĂN NHỜ

V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1:

VI- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2:

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ NHẬN XÉT1 CÁN BỘ NHẬN XÉT 2

TS NGUYỄN VĂN NHỜ TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA TS PHẠM ĐÌNH TRỰC Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày … tháng…… năm2004

Trang 2

LỜI CÁM ƠN

Qua quá trình học tập, với sự giảng dạy tận tình của các Thầy, cô trong trường và sự giúp đỡ của các bạn trong lớp KTĐ K12, Tôi đã hoàn thành các môn học của mình

Tôi xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ của Trường Đại

Học Bách Khoa, phòng quản lý sau Đại học đã hỗ trợ tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành tập luận văn này

Tôi xin cảm ơn toàn thể quý Thầy Cô trường Đại học Bách Khoa, Thầy Cô giảng dạy trong các năm học qua, đặc biệt:

Thầy Ts NGUYỄN VĂN NHỜ đã trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cám ơn các bạn học viên cao học khóa 12 Kỹ Thuật Điện đã đóng góp nhiều ý kiến quý giá giúp tôi hoàn thành tập luận văn này

Trang 3

Lời cảm ơn

Mục lục

Chương I: Vector không gian của các đại lượng ba pha 4

I Vector không gian của các đại lượng ba pha 5

I.1 Xây dựng vector không gian 5

I.2 Chuyển đổi hệ tọa độ vector không gian

7

I.3 Khái quát ưu thế của việc mô tả động cơ xoay chiều ba pha

Trên hệ tọa độ từ thông Rotor 11

I.4 Mô hình toán của ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc 15

Chương II: Điều khiển biến tần dựa trên cơ sở phương pháp điều chế

II Điều khiển biến tần dựa trên cơ sở phương pháp điều chế

II.1 Nguyên lý của phương pháp điều chế vector không gian 23 II.2 Cách tính và thực hiện thời gian đóng ngắt trên biến tần 27 II.3 Một số vấn đề liên quan đến DEAD_TIME 28 Chương III: Lý thuyết về kỹ thuật số 29

III.4 Các đặc điểm của FPGA 33

IV.1 Thiết kế mạch điều khiển

42

V.3 Những vấn đề tồn tại và hướng phát triển 51

Trang 4

Nguyễn Quốc Hà Trang 1

CHƯƠNG 0:

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

Trang 5

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ tích hợp

IC ngày càng phát triển nên tạo ra các thiết bị gọn nhẹ có tính năng cao, dung lượng lớn … do đó người viết luận văn muốn ứng dụng kỹ thuật số để áp dụng trong kỹ thuật điều chế vector không gian Phương pháp điều chế vector không gian tuy không mới nhưng đây là một bài toán mở, nó đưa ra các hướng đi mới như: bài toán nghịch lưu đa bậc, Matrix inverter, … để tạo ra các thiết bị điều khiển ngày càng hoàn thiện hơn Tuy nhiên, việc áp dụng lý thuyết này trên thực tế tại Việt Nam chưa nhiều do đó trong khuôn khổ luận văn này, người viết muốn sử dụng kỹ thuật số để ứng dụng điều chế vector không gian hai bậc

0.1 MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN:

-Nghiên cứu lý thuyết véc tơ không gian

-Nghiên cứu về phương pháp điều chế véc tơ không gian

-Ứng dụng kỹ thuật số trong kỹ thuật điều chế véc tơ không gian

0.2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI:

Phương pháp điều chế véc tơ không gian là phương pháp mang tính hiện đại trong việc ứng dụng điều khiển máy điện xoay chiều và có thể mở rộng để triển khai trong các hệ thống điện 3 pha

Ngày nay, việc ứng dụng kỹ thuật số trong việc điều khiển đều mang tính phổ biến vì công nghệ tích hợp ngày càng phát triển nên tạo ra các thiết

bị điều khiển rất gọn nhẹ như: Microprocesor, DSP, FPGA …Do đó, người thực hiện muốn ứng dụng kỹ thuật FPGA (A Field Programmable Gate Array) trong kỹ thuật điều chế véc tơ không gian để điều khiển bộ nghịch lưu

0.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU:

Nghiên cứu lý thuyết véc tơ không gian

Nghiên cứu kỹ thuật điều chế véc tơ không gian

Mô phỏng ứng dụng kỹ thuật số trong kỹ thuật điều chế véc tơ không gian để điều khiển bộ nghịch lưu

0.4 CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN HỆ:

1.EKH Van Der Pols; JDL Hacsakkers Design and Implemetation of A

Trang 6

2.Monoconic chip-set: Complete Control System for Digital PWM

Inverter Drivers IEEE 1993

0.5 NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI:

1.Giới thiệu lý thuyết véc tơ không gian: Trong chương này, người viết

đã tổng hợp lại lý thuyết về vector không gian nhằm cho người đọc nắm rõ về lý thuyết này

2.Phương pháp điều chế véc tơ không gian: Trong phần này, người viết

nêu lên các phương pháp điều chế vector không gian, sau đó đưa ra các công thức liên quan để ứng dụng cho các phần tiếp theo

3.Lý thuyết về Kỹ thuật số: Trong phần này, người viết đã đưa ra các

kỹ thuật điều khiển số ứng dụng để điều chế vector không gian sau đó đưa ra giải pháp lựa chọn kỹ thuật FPGA và cấu trúc của FPGA để người đọc nắm được các kỹ thuật ứng dụng và lý thuyết của FPGA

4 Mô phỏng và kết quả: Trong phần này, người viết phân tích đưa ra

giải thuật, tiến hành mô phỏng bằng phần mềm MAXPLUS II của Hãng ALTERA, đưa ra kết quả, kết luận và đưa ra hướng phát triển của đề tài

5 Chương kết luận: Trong chương này người viết tổng kết, đánh giá,

kết luận và đưa ra một số đề nghị

6 Phần phụ lục: trong phần này, người viết đưa ra chương trình điều

khiển của toàn bộ hệ thống

Trang 7

CHƯƠNG I:

VECTOR KHÔNG GIAN CỦA CÁC ĐẠI LƯỢNG BA PHA

Trang 8

I VECTOR KHÔNG GIAN CỦA CÁC ĐẠI LƯỢNG BA PHA

I.1 XÂY DỰNG VECTOR KHÔNG GIAN:

Động cơ xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) - dù là Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) hay hay động cơ đồng bộ (ĐCĐB)-đều có 3 cuộn dây Stator với dòng điện ba pha, bố trí không gian tổng quát như trong hình I.1

Trong hình này,ba dòng điện isu, isv, isw là ba dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ Khi chạy động cơ bằng biến tần, đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần Ba dòng điện đó thỏa mãn phương trình:

240 cos

120 cos

cos

t i

t

i

t i

t

i

t i

t

i

s s

sw

s s

sv

s s

su

ωω

ω

Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), ĐCXCBP có 3 cuộn dây lệch nhau một góc 1200 Nếu trên mặt cắt đó ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục thực đi qua trục cuộn dây U của động cơ, ta có thể xây dựng vector không gian sau đây:

( ) [ ( ) ( ) 120 0 ( ) 240 0]

3

sw j

sv su

Trang 9

Theo công thức (I.3), vector is(t) là một vector có modul không đổi quay trên mặt phẳng phức (cơ học) với tốc độ góc ωs = 2πfs và tạo với trục thực (đi qua trục cuộn dây pha U) một góc pha γ = ωst Trong đó fs là tần số mạch Stator Việc xây dựng vector is(t) được mô tả trong hình (I.2)

Qua hình I.2 ta dễ dàng thấy rằng các dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector mới thu được trên trục của cuộn dây pha tương ứng Đối với các đại lượng khác của động cơ như: điện áp, dòng Rotor, từ thông Stator hoặc từ thông rotor, ta đều có thể xây dựng các vector không gian tương ứng như đối với dòng điện kể trên Ta hãy đặt tên cho trục thực của mặt phẳng phức nói trên là trục α và trục ảo là β hãy quan sát hình chiếu của vector dòng ở trên xuống hai trục đó Hai hình chiếu được đặt tên là hai dòng

( )t

i su

3 2

( ) 120 0

3

sv t e i

Hình I.2: Thiết lập vector không gian từ đại lượng pha

Trang 10

Dễ dàng nhận thấy rằng hai dòng điện trên là hai dòng hình sin Như trong lý thuyết máy điện đã đề cập đến một cách kỹ lưỡng Ta có thể hình dung ra một động cơ tương ứng với hai cuộn dây cố định α và β thay thế cho

ba cuộn u, v và w Điều cần ghi nhớ ở đây là: hệ tọa độ nói trên là hệ tọa độ stator (viết tắt là: TĐST) cố định, để phân biệt với tọa độ quay sẽ đề cập đến sau này

Trên cơ sở công thức (I.1) kèm theo điều kiện điểm trung tính của ba cuộn dây stator không nối đất, ta chỉ cần đo hai trong số ba dòng điện stator (ví dụ isu và isv) là đầy đủ thông tin về vector is(t) với các thành phần trong công thức (I.4) Cần ghi nhớ rằng công thức (I.4) chỉ đúng khi trục của cuộn dây pha U được chọn làm trục quy chiếu chuẩn (reference axis) như trong (hình I.3) Điều này đều có ý nghĩa trong toàn bộ quá trình xây dựng hệ thống điều khiển/điều chỉnh sau này:

su s

i i

í i

i i

2 3

β α

ψψ

ψ

ψψ

ψ

s s

s

r r

r

r r r

s s s

j j

ji i

i

ju u u

ji i

I.2 CHUYỂN ĐỔI HỆ TỌA ĐỘ VECTOR KHÔNG GIAN

(I.4a)(I.4b)

(I.5a)(I.5b) (I.5c) (I.5d) (I.5e)

Trang 11

Trên đây là hệ TĐST hay còn gọi là còn gọi là hệ tọa độ α, bây giờ ta hãy xét hệ tọa độ tổng quát xy, mặt khác ta còn hình dung một hệ tọa độ thứ hai với các trục x*y* gốc và nằm lệch đi một góc v* so với hệ xy

Quan sát một vector V bất kỳ ta thu được:

Trên hệ xy: Vxy = x + jy (I.6)

Trên hệ x*y*: V* = x* + jy* (I.7)

Ta dễ dàng rút ra từ hình I.4 kết quả sau đây:

sin cos

V y

V x y

V y V

x x

Thay (I.8a) và (I.8b) vào (I.7) ta có:

*

cos sin

e V V e

V

Cho đến đây hai hệ tọa độ xy và x*y* được coi là hệ tọa độ cố định, hay nói cách khác: góc lệch V được coi là không đổi Trên thực tế V* có thể là một góc biến thiên với tốc độ gốc ω* = dV*/ dt, trong trường hợp ấy hệ tọa độ x*y* là hệ tọa độ quay tròn với tốc độ gốc ω* xung quanh điểm gốc hệ tọa độ xy

Bây giờ ta quay trở lại với vector dòng stator mà ta đã xét trên (hình I.3), trong đó hệ TĐST-hoặc hệ tọa độ αβ cũng vậy, tương ứng với hệ xy

x

yjY

V*

Hình I.4: Chuyển đổi hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V

(I.8a)(I.8b)(I.9a)(I.9b)

Trang 12

trong (hình I.4) Giả thiết, ta quan sát một ĐCXCBP đang quay với tốc độ gốc

ω = dV/ dt, trong đó V là góc tạo bởi trục Rotor và trục chuẩn (đã qui ước là trục đi qua tâm của cuộn dây pha U) Hình I.5 mô tả quan sát kể trên, trong hình đó còn biểu diễn hai vector dòng Stator is và từ thông Rotorψr với modul và góc pha ngẫu nhiên nào đó Vector từ thông ψr quay với tốc độ góc ωs = 2πfs = dVs/ dt, trong đó fs là tần số mạch điện Stator

Ta dễ dàng nhận thấy trên (hình I.5), đối với trường hợp ĐCXCBP là ĐCĐB thì trục của từ thông Rotor cũng là trục của Rotor, dù ĐCĐB đó là loại kích thích ngoài hay kích thích vĩnh cữu Trong trường hợp ấy ta có ω =

ωs Nếu ĐCXCBP là loại ĐCKĐB, thì sự chênh lệch giữa ω và ωs (tạm giả thiết số đôi cực là một) sẽ tạo nên dòng điện Rotor với tần số fr, dòng điện đó cũng có thể được biểu diễn dưới dạng vector ir quay với tốc độ góc ωr = 2πfr

Nếu ta xây dựng một hệ tọa độ mới với trục thực có hướng trùng với hướng của vector ψr và gốc tọa độ trùng với gốc tọa độ hệ αβ (xem hình I.5) và đặt tên cho các hệ trục tọa độ mới là d và q, ta dễ dàng thấy rằng hệ tọa

Hình I.5: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor,

còn gọi là hệ tọa độ dq

Cuộn dây pha U

isα

isβ is

Cuộn dây pha W

Trang 13

độ mới được định nghĩa là một hệ quay xung quanh điểm gốc chung, với tốc độ gốc là ωs và vector is có các phần tử mới là isd và isq Để dễ nhận biết xem vector được quan sát trên hệ tọa độ nào, ta qui ước thêm 2 chỉ số mới được viết bên tay phải trên cao: f (thay cho field coordinates hoặc hệ tọa độ dq) và

s (thay cho Stator coordinates hoặc tọa độ αβ)

s s

s

ji i

i

ji i

i

s = +

+

Nếu biết góc Vs ta có thể dễ dàng tính được is

s bằng công thức (I.10)

s

jV s

sq

s s

s s sd

V i V i

i

V i

V i i

sin cos

cos sin

α β

Trong đó is cũng như các phần tử isα, isβ đã được tính bằng phương trình (viết tắt: pt (I.4a) và (I.4b) trên cơ sở các dòng pha đo được isu, isv)

Toàn bộ quá trình các diễn giải ở trên được tổng kết lại một cách đầy đủ trong hình I.6)

(I.11a)(I.11b)

(I.13a)(I.13b)

Hình I.6: Thu thập giá trị thực của vector dòng Stator trên hệ tọa độ

từ thông Rotor (còn gọi là hệ tọa độ dq)

M 3∼ ĐCXCBP

u v w

•

•))

Trang 14

Một ưu điểm dễ nhận thấy ở hệ tọa độ mới là ở chỗ, do các vector is và

ψr cũng như bản thân hệ tọa độ dq quay đồng bộ vơí nhau với vận tốc gốc ωs

quanh điểm gốc, các phần tử của vector (ví dụ: isd, isq) là các đại lượng một chiều Trong chế độ vận hành xác lập, các phần tử đó thậm chí có thể không đổi Trong quá trình quá độ, chúng có thể biến thiên theo một thuật toán đã định trước

Mặt khác, trên cơ sở (hình I.6) ta có thể nhận thấy ngay khó khăn thực tiễn của việc tính isd và isq là việc xác định góc Vs Trong trường hợp ĐCĐB, góc đó được xác định một cách dễ dàng bằng thiết bị đo tốc độ vòng quay (máy phát xung kèm vạch 0, resolver) Trường hợp ĐCKĐB, góc Vs được tạo nên bởi tốc độ góc ωs = ω + ωr, trong đó chỉ có ω là có thể đo được Ngược lại, ωr =2πfr với fr là tần số của mạch Rotor ta chưa biết Vậy phương pháp mô tả trên hệ tọa độ dq đòi hỏi phải xây dựng phương pháp tính ωr một cách chính xác, đó là cơ sở của hệ thống điều khiển/điều chỉnh tực theo từ thông Rotor (viết tắt: T4R)

Một cách tương tự như đối với vector dòng Stator, ta có thể biểu diễn tất cả các vector còn lại trên hệ tọa độ dq

f

r

sq sd

f

s

rq rd f

r

sq sd f

s

j j

ji i i

ju u u

ψψ

ψ

ψψ

ψ

Nếu ta để ý thì sẽ nhận thấy trong phương trình (I.14c) có ψrq = 0 do trục q đứng vuông góc với bản thân vector ψr Tuy nhiên, trên thực tế rất khó tính được tuyệt đối chính xác góc Vs, do đó ta vẫn giữ ψrq để đảm bảo tính khách quan trong khi quan sát

I.3 KHÁI QUÁT ƯU THẾ CỦA VIỆC MÔ TẢ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

BA PHA TRÊN HỆ TỌA ĐỘ TỪ THÔNG ROTOR

Trước hết ta hãy xem xét hệ truyền động động cơ một chiều (TĐĐMC), cụ thể là động cơ một chiều (viết tắt: ĐCĐM) có kích thích độc lập với sơ đồ cơ bản như trong (hình I.7)

Ta hãy xét hai phương trình sau đây của ĐCMC:

M M

i k

i k m

2

1 1

ψ

Trong hai phương trình trên các ký hiệu có nghĩa như sau:

(I.14a)(I.14b) (I.14c) (I.14d)

(I.15a)(I.15b)

Trang 15

mM: momen quay của động cơ

ψM: từ thông động cơ

iM: dòng phần ứng

iK: dòng kích thích

k1k2: các hằng số động cơ

Trang 16

Pt (I.15b) cho thấy rất rõ ràng rằng từ thông động cơ ψM chỉ phụ thuộc vào dòng kích thích ik Nói cách khác, bằng dòng ik ta có thể điểu khiển/điều chỉnh và khống chế được ψM một cách dễ dàng Thông thường trong phạm vi giải tốc độ quay bé hơn tốc độ quay danh định, ψM được giữ ổn định ở giá trị danh định Ở giải tốc độ lớn hơn tốc độ danh định, tùy thuộc vào tốc độ quay cụ thể ta phải giảm bớt ψM bằng cách giảm ik để giữ cho sức từ động cảm ứng (STĐCƯ) khỏi quá lớn Mặt khác, tại mỗi điểm công tác của động cơ, do từ thông đã được điều chỉnh ổn định ở một giá trị không đổi, momen quay mM

trong pt (I.15a) tỷ lệ thuận với dòng phần ứng iM Tóm lại, đối với ĐCĐMC kích thích độc lập ta có:

ψM ∼ ik và mM ∼ iM

Hai dòng ik và iM có thể được sử dụng trực tiếp làm đại lượng điều khiển cho từ thông và momen quay động cơ nếu như ta thành công trong việc áp đặt nhanh hai dòng điện đó Đến đây ta có thể trả lời được ngay vấn đề trên: do cấu trúc đơn giản của mạch kích từ và mạch phần ứng, việc áp đặt nhanh dòng điện (điều chỉnh không trễ) là vấn đề dễ dàng và đã được giải quyết từ lâu

Quay trở lại với ĐCXCBP, ở đây không tồn tại các tương quan minh bạch (dòng ∼ từ thông, dòng ∼ momen ) như trên nữa, ở đây tồn tại một cấu

trúc mạch và các đại lượng điện ba pha phức tạp Bởi vậy, phương pháp mô

tả ĐCXCBP trên hệ tọa độ từ thông Rotor là phép mô tả dẫn tới các tương quan giống như đối với ĐCMC, nhằm đạt được các tính năng điều chỉnh/điều khiển tương tự với ĐCMC

Trang 17

Để có thể có được một ý niệm về ưu thế của phương pháp mô tả T4R, ở phần này ta đưa ra các công thức cuối cùng của cả hai loại động cơ (ĐCKĐB và ĐCĐB) kèm theo cấu trúc phần mềm điều khiển hệ thống đã đơn giản đến mức tối thiểu

I.3.1.ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC

Ngoài loại động cơ kể trên, còn tồn tại loại động cơ không đồng bộ ba pha Rotor dây quấn Tuy vậy, loại Rotor lồng sóc đã chiếm ưu thế tuyệt đối trên thị trường vì lý do dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ Mặt khác, các ưu thế xưa kia của loại Rotor dây quấn về khả năng dễ điều khiển/điều chỉnh không còn tồn tại nữa Sự phát triển vũ bão của kỹ thuật vi điện tử/vi xử lý với giá thành ngày càng hạ, đã cho phép thực hiện thành công các kỹ thuật điều chỉnh phức tạp đối với loại Rotor lồng sóc Vì lý do ấy, ta chỉ đề cập đến loại có Rotor lồng sóc và ký hiệu viết tắt ĐCKĐB cũng duy nhất chỉ vào loại đó

Sau khi xây dựng xong vector không gian cho các đại lượng dòng, áp, từ thông động cơ và chuyển các vector đó sang quan sát trên hệ tọa độ từ thông Rotor (tọa độ dq) ta thu được các quan hệ đơn giản sau đây giữa momen quay, từ thông và các phần tử của vector dòng Stator:

m M

sd r rd

i p L

L m

i pT L

ψ

3 2

isd, isq: các phần tử d và q của vector dòng Stator

mM: momen quay của động cơ

Lr, Lm: điện cảm Rotor, hỗ cảm giữa Stator và Rotor

pc: số đôi cực của động cơ

Tr: hằng số thời gian của Rotor

p: toán tử Laplace

Pt (I.16a) cho ta thấy từ thông Rotor có thể được tăng giảm gián tiếp thông qua tăng giảm isd điều đáng lưu ý là quan hệ (I.16a) giữa hai đại lượng là quan hệ trễ bậc nhất với hằng số thời gian Tr Nếu thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng điện isd, ta có thể xem isd là đại lượng điều

(I.16a)(I.16b)

Trang 18

khiển của từ thông Rotor Trong các tài liệu kỹ thuật isd được gọi là dòng kích từ và do đó giữ vai trò tương tự như ik trong (I.15b) đối với ĐCMC

Nếu dùng isd thành công trong việc điều chỉnh ổn định ψrd trong quá trình hoạt động của động cơ, đồng thời thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng isq, theo pt (I.16b) sẽ có thể coi isq là đại lượng điều khiển của momen động cơ Do đó, isq được gọi là dòng tạo momen quay và giữ vai trò tương tự như iM trong (I.15a) đối với ĐCMC Các đặc tính vừa điểm qua cho phép ta xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống như trong (hình I.8)

Trên cơ sở các tính năng lý tưởng mà đến nay ta luôn giả thiết cho bộ điều chỉnh dòng (viết tắt: ĐCD), ta thu được một cấu trúc hệ thống điều chỉnh hoàn toàn giống như các hệ thống TĐĐMC, cách tính toán thiết kế các bộ điều chỉnh tốc độ vòng quay (viết tắt: ĐCTĐVQ) và điều chỉnh vị trí (viết tắt: ĐCVT)- hoặc điều chỉnh góc (viết tắt: ĐCG)- cũng tương tự

Với cách quan sát mới ta không còn quan tâm đến dòng từng pha riêng lẻ nữa, mà là toàn bộ vector: tại từng điểm làm việc của động cơ, vector is

phải cung cấp 2 thành phần thích hợp: isd để điều khiển từ thông Rotor, isq để sản sinh momen quay như bộ ĐCTĐQ đòi hỏi Nếu ta lưu tâm kỹ sẽ thấy trong (hình I.8) còn thiếu một bộ điều chỉnh từ thông (viết tắt: ĐCTT) Do tính chất trễ của quan hệ ψrd ∼ isd cần phải có khâu ĐCTT để gia tốc thêm quá trình từ hóa bên trong động cơ

Hình I.8: Cấu trúc hệ thống TĐĐXCBP đơn giản trên cơ sở phương pháp

d ø

Khiển biến tần

Trang 19

I.3.2 ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA KÍCH TỪ VĨNH CỬU

Trong thực tiễn còn được sử dụng loại ĐCĐB có kích từ ngoài Đặc tính chung của cả hai loại động cơ là có từ thông ψp có bố trí phân cực rõ ràng Đối với loại có kích thích ngoài, phân cực đó là do bố trí có định hướng của cuộn dây Rotor được cấp dòng kích thích một chiều độc lập từ bên ngoài Đối với loại kích thích vĩnh cửu, định hướng đó xuất hiện là do phân bố các nam châm vĩnh cửu-bằng vật liệu gì, đó không phải là mối quan tâm của người làm hệ thống điều khiển-trên bề mặt Rotor Vì lý do ấy, chúng ta chỉ cần xét đến loại có kích thích vĩnh cửu, ký hiệu viết tắt ĐCĐB là dành cho loại động cơ đó Sau này hoàn toàn bằng phương pháp tương tự, ta có thể xây dựng thuật toán cho loại kích thích ngoài Trên hệ tọa độ dq ta có phương trình momen quay sau đây:

ψp: từ thông Rotor vĩnh cửu (p: permanent)

Lsd: điện cảm Stator dọc theo trục d

Lsq: điện cảm Stator dọc theo trục q (vuông góc với trục d)

Về ý nghĩa của Lsd và Lsq ta sẽ đề cập đến sau này Do kích thích vĩnh cửu, vector is không cần chứa các thành phần kích từ isd (isd = 0) mà chỉ cần chứa các thành phần sản sinh momen quay isq Điều ấy có nghĩa là, vector is

phải đứng vuông góc với vector từ thông Rotor Tóm lại, từ pt (I.17) ta thu được (I.18)

sq p c

I.4 MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ (ĐCKĐB) BA PHA ROTOR LỒNG SÓC

Về phương diện động, ĐCKĐB được mô tả bởi hệ phương trình vi phân bậc cao rất phức tạp Vì cấu trúc phân bố của cuộn dây phức tạp về mặt không gian và cấu trúc các mạch từ móc vòng Do đó để đơn giản, khi xây dựng mô hình toán cuả ĐCKĐB ta chấp nhận một số các điều kiện sau:

♦ Các cuộn dây Stator được bố trí đối xứng về mặt không gian

♦ Các tổn hao về sắt từ và sự bão hòa từ có thể bỏ qua

Trang 20

♦ Dòng từ hoá và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ

♦ Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi

Việc xây dựng mô hình toán này nhằm mục đích mô phỏng tương đối chính xác về mặt toán học đối tượng động cơ Mô hình này chỉ để phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh Tuy nhiên sự sai lệch giữa đối tượng và mô hình là sai lệch trong phạm vi cho phép, các sai lệch này sẽ được loại trừ bằng các biện pháp thuộc về kỹ thuật điều chỉnh

Một số ký hiệu được sử dụng trong luận văn này:

♦ Chỉ số viết nhỏ ở góc phải phiá trên:

f : Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ từ thông Rotor (tọa độ dq)

s : Đại lượng quan sát trên hệ toạ độ stator

r : Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor

♦ Chỉ số viết nhỏ ở góc phải phía dưới:

♦ Chữ cái đầu tiên:

s : Đại lượng của mạch stator

r : Đại lượng của mạch Rotor

♦ Chữ cái thứ hai:

d,q : Phần tử thuộc hệ tọa độ d,q

α,β : Phần tử thuộc hệ tọa độ αβ

u,v,w : Đại lượng thuộc pha u,v,w

♦ Đại lượng viết có gạch dưới:

Chữ in : Ma trận

Chữ thường: Vetor

uf

s : vector điện áp stator được quan sát trên hệ toạ độ dq

usd : phần tử d của vector điện áp stator

isα : phần tử α của vector dòng stator

I.4.1 HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ:

Hệ phương tình điện áp trên 3 cuộn dây stator của động cơ như sau:

dt

t d t i R u

dt

t d t i R u

dt

t d t i R u

sw sw

s sw

sv sv

s sv

su su

s su

) ( )

(

) ( )

(

) ( )

(

ψψψ

Trang 21

Với:

R s : Điện trở của cuộn dây stator

Ψsu ,Ψsv ,Ψsw : từ thông stator của cuộn dây pha u, v, w

Chuyển thành vector không gian ta được:

) ( )

( ) ( 3

2 )

dt

d i R u

s s s s s s s

ψ+

=Tương tự đối với cuộn dây Rotor, ta sẽ có phương trình điện áp của mạch rotor trên hệ tọa độ rotor như sau:

dt

d i R

r r r

r r

Ψ +

= 0

Ta có phương trình của từ thông stator và từ thông rotor sau:

r r m s r

m r s s s

L i L i

+

= Ψ

+

= Ψ

Trong đó:

L m : Hỗ cảm giữa rotor và stator

Lσs : Điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator

Lσr : Điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor đã quy đổi về stator

L s = L m + Lσs: Điện cảm stator

L r = L m + Lσr: Điện cảm rotor

Dùng công thức chuyển hệ trục tọa độ ta có:

Trang 22

k

k k j

S k j

k S s

S

e j

e dt

d dt

k s k

s s k

dt

d i R

Đây là phương trình dạng tổng quát áp dụng cho hệ tọa độ bất kỳ “k”

♦ Đối với hệ toạ độ cố định trên stator (hệ tọa độ αβ):

Trường hợp này xảy ra khi ωk = 0 đây là hệ toạ độ cố định Phương trình điện áp stator có dạng như sau:

dt

d i R

u

s s s

s

Ψ +

=

♦ Đối với hệ tọa độ tựa theo từ thông Rotor:

f s s

f s f

s s f

dt

d i R

Trường hợp này xảy ra khi ωk = ωs Vì hệ tọa độ này có trục thực d trùng với trục của từ thông rotor ψr , vì vậy không tồn tại thành phần trục q của vector ψr

I.5 TÓM TẮT CHƯƠNG I

Chương I vừa tóm tắt một cách ngắn gọn cách thức xây dựng vector không gian cho các đại lượng ba pha của động cơ xoay chiều ba pha và cách chuyển hệ tọa độ quan sát cho vector đó Đặc biệt là chuyển quan sát các vector lên hệ từ thông Rotor-hệ tọa độ quay tròn với tốc độâ góc ωs = 2πfs (fs

là tần số của mạch Stator) quanh điểm gốc và có trục thực đi qua trục từ thông Rotor-đã đưa đến các quan hệ tỷ lệ giữa momen quay, từ thông và các thành phần của vector dòng Stator, cho phép xây dựng hệ thống điều chỉnh truyền động tương tự như trường hợp sử dụng động cơ điện một chiều

Thông qua (hìnhI.8)-khái quát về cấu trúc hệ thống điều chỉnh-ta nhận thấy rằng khâu then chốt để đảm bảo cho hệ TĐĐCXCBP đạt được các tính năng và chất lượng như hệ TĐĐMC chính là khâu điều chỉnh dòng Khâu khiển biến tần có nhiệm vụ tính chuyển các phần tử của vector điện áp-mà bộ ĐCD đòi hỏi-thành thời gian đóng ngắt các van bán dẫn của biến tần

(I.25)

Trang 23

Phương pháp tính chuyển là phương pháp ĐCVTKG đã đề cập đến trong chương sau

CHƯƠNG II:

ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN DỰA TRÊN

CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ

VÉC TƠ KHÔNG GIAN

Trang 24

II ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN TRÊN CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN

Hình II.1 cho ta thấy sơ đồ nguyên lý của ĐCXCBP nuôi bởi biến tần dùng van bán dẫn Thông thường, các đôi van được vi xử lý/vi tính điều khiển sao cho điện áp xoay chiều ba pha với biên độ cho trước, với tần số cũng như với góc pha cho trước, được đặt lên ba cực của động cơ đúng theo yêu cầu Biến tần được nuôi bởi điện áp một chiều Ud Đối tượng biến tần được đề cập trong luận văn này hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cao, phân biệt với loại hoạt động theo nhịp dành cho các hệ thống với công suất rất lớn Các van bán dẫn được dùng ở đây chủ yếu là Transistor (IGBT, MOSFET) Đối với biến tần dùng thyristor, do tần số đóng ngắt bị hạn chế và thời gian trễ của quá trình đóng và cắt lớn nên rất khó áp dụng lý thuyết ở chương này

Mỗi pha của động cơ có thể nhận một trong hai trạng thái: 1 (nối với cực “+” của Ud) hoặc 0 (nối với cực “-” của Ud) Do có 3 pha (3 cặp van bán dẫn) nên sẽ tồn tại 23 = 8 khả năng nối các pha của động cơ với Ud như trong bảng II.1

Trang 25

Bảng II.1: các khả năng nối pha động cơ với Ud

Ta thử xét kỹ một trong tám khả năng đó, ví dụ khả năng thứ 4 trong bảng II.1 với sơ đồ nối trong hình II.2a Ta dễ dàng tính được điện áp rơi trên từng cuộn dây pha u, v và w Quay trở lại với bố trí hình học của 3 cuộn dây pha trên mặt phẳng, ta thấy rằng tổ hợp thứ 4 có tương đương với trường hợp

ta áp đặt lên 3 cuộn pha vector điện áp us với modul U d

3

2 như trong hình II.2b Để tìm điện áp thật sự rơi trên từng pha ta chỉ việc tìm hình chiếu của vector us lên trục của cuộn dây

STT Cuộn

000

MC sw

sv

MC su

U u u

U u

(b)

Cuộn dây pha u

Cuộn dâypha w

Trang 26

Tương tự như đối với khả năng thứ 4, ta dễ dàng xây dựng được vector điện áp tương ứng cho tất cả các trường hợp còn lại (hình II.3) Các vector chuẩn đó được đánh số u0, u1,…,u7 như số thứ tự của bảng Ở đây ta cần lưu ý đến hai trường hợp đặc biệt: u0: cả 3 cuộn dây nối với cực “-”

u7: cả 3 cuộn dây nối với cực “+”

của Ud Hai vector này có modul bằng 0 và giữ một ý nghĩa rất quan trọng

Hình II.3 cho thấy rõ ràng vị trí của từng vector chuẩn trong hệ tọa độ

αβ Ta cần ghi nhớ rằng, modul của từng vector đó luôn có giá trị 2Ud/3 Ngoài quy ước thông thường về các góc phần tư Q1….Q4 phân chia bởi hai trục của hệ tọa độ, các véc tơ chuẩn chia toàn bộ không gian thành các góc phần sáu S1… S6 (S: sector) Chỉ bằng tám vector chuẩn của hình II.3, ta phải tạo nên điện áp stator với biên độ, góc pha bất kỳ mà khâu ĐCD sau này yêu cầu

Hình II.3: Tám vector chuẩn do 3 cặp van bán dẫn của biến tần tạo nên

Q1…Q4: các góc phần tư; S1…S6: các góc phần sáu

Trang 27

II.1 NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN

Sau đây, ta sẽ đề cập cụ thể đến nguyên lý điều chế vector không gian

Ta xét ví dụ sau:

Giả sử ta phải thực hiện vector us bất kỳ như trong hình II.4a

Vector đó có thể nằm ở góc phần sáu bất kỳ nào đó, trong ví dụ này, us nằm

ở S1 us có thể được tách thành tổng của hai vector con u1 , u2 tựa theo hướng

của hai vector chuẩn U 1 , U 2

Ta biết rằng điện áp phải được tính đổi thành thời gian đóng ngắt van trong phạm vi một chu kỳ cắt xung nào đó Giả thiết toàn bộ chu kỳ đó là chu kỳ có ích, và được phép dùng đề thực hiện vector, lúc này module tối đa cũng không thể vượt qua 2Ud/3 Do vậy ta có công thức sau:

6

1 max = = = =

Nếu thời gian tối đa ( ví dụ: chu kỳ lấy mẫu) là T, ta có thể rút ra được các nhận xét như sau:

1.u s là tổng vector của hai vector biên u1, u2: u s = u1 + u2

2.Hai vector biên có thể được thực hiện bằng cách thực hiện U1 ( cho

u1) và U2 (cho u2 ) trong hai khoảng thời gian sau:

u T

Trang 28

Như vậy, ta đã có các mẫu xung được cho ở bảng II.1, và công việc cần phải làm là: tính được các khoảng thời gian T1, T2 Từ công thức II.2 ta có thể rút ra nhận xét sau:

Để tính được T 1 ,T 2 , ta phải biết modul của hai vector u 1 và u 2

Giả sử ta đã tính được hai giá trị trên thì sẽ có vấn đề sau:

1 Ta đã nói đến thời gian thực hiện hai vector T 1 và T 2 Vậy thì trong

khoảng thời gian còn lại T-( T 1 + T 2 ) biến tần làm gì?

2 Ta đã biết rằng thay vì thực hiện u s , ta có thể thực hiện U 1 trong thời

gian T 1 (= u 1 ) và U 2 trong thời gian T 2 (= u 2 ) Nhưng vector nào

được thực hiện trước, vector nào sau ?

Câu trả lời là: trong khoảng thời gian T –( T 1 + T 2 ), biến tần thực hiện một

trong hai vector có modul bằng không u o hoặc u 7 Như vậy, vector u s được tính như sau:

) ( ) (

)

2 2 1 1 7 0 2

T

T T T U T

T U T

T u u u u

+ +

= +

+

=

Trình tự thực hiện ba vector U 1 , U 2 và U o hoặc U 7 như sau:

Ta hãy tách riêng mẫu xung của bốn vector kể trên ra khỏi bảng II.1 và viết lại trong bảng II.2 như dưới đây:

U0 U1 U2 U7

U 0 1 1 1

V 0 0 1 1

W 0 0 0 1

Bảng II.2: Bảng bốn mẫu xung thu gọn

Thông qua bảng II.2, ta có nhận xét: trình tự kích xung sẽ là có lợi nhất, nếu trong phạm vi một một chu kỳ các cặp van ít phải chuyển mạch nhất Cụ thể ở đây, mỗi cặp sẽ chỉ phải chuyển mạch một lần

Nếu như trạng thái cuối cùng là U 0, trình tự thực hiện sẽ là:

U 1 ) U 2 ) U 7

(II.3)

Trang 29

Ngược lại, nếu trạng thái cuối cùng là U 7, trình tự thực hiện sẽ là :

U 2 ) U 1 ) U 0

Bằng phương thức thực hiện điện áp (có thể gọi là: tạo xung kích thích) như vậy, ta sẽ gây tổn hao đóng ngắt các van của biến tần ở mức thấp nhất Nếu ta vẽ ghép tượng trưng hai chu kỳ nối tiếp nhau thuộc góc phần sáu thứ nhất S1 trong hình II.4b, ta thu được hình ảnh quen thuộc của phương pháp điều chế điều rộng xung thực hiện bằng kỹ thuật tương tự (analog)

Hình II.4b Dạng sóng điện áp ra

Tương tự như vậy, ta sẽ thực hiện các sector còn lại tương tự như sector

S1 được thể hiện trên hình II.5

• Ở sector 2:

T

u 1T

u T u

2

100

T

2 w

3 3

v

0 2

u T u

Trang 30

3 3

v

0 4

u T u

4 4

v

0 5

u T u

5 5

v

0 6

u T u

6 6

v

0 1

u T u

Trang 31

Hình II.5 Biểu đồ xung kích thích thuộc các sector

II.2 CÁCH TÍNH VÀ THỰC HIỆN THỜI GIAN ĐÓNG NGẮT TRÊN BIẾN TẦN:

Xét góc một phần sáu của hình lục giác giới hạn bởi hai vector đỉnh U1

và vector U2 Giả sử thời gian lấy mẫu là T, ta cho tác dụng vector U1 trong

thời gian T1 và vector U2 trong thời gian T 2 và vector U0 trong thời gian còn

lại (T-T 1 -T 2) Vector tương đương được tính bằng vector trung bình bởi chuỗi tác động liên tiếp nêu trên tức là:

dt U dt U dt

U T

3

2

d d

dt dt

U dt

U T

U

2 2 1 1 2 3 1

3

2 3

T

T e U T

T U

2 1

2 2 1

3

2

; 3

2

;

πτ

e

U u

U u T

T T

2 ) (

2 1 2 1 2

1 + τ +τ + − τ −τ

U

Từ các hệ thức trên, ta nhận xét rằng:

Khi thời gian tác động của vector u1 bằng 0, vector trung bình U nằm trên đoạn thẳng nối giữa hai đỉnh của vector không u0 và vector u2

Khi thời gian tác động của mỗi vector đều lớn hơn 0, vector trung bình

U nằm trên mặt phẳng giới hạn bởi 3 đỉnh của 3 vector u0, u1,u2

(II.4)

(II.5)

(II.6)

Trang 32

Trong thực tế ta thường gặp bài toán điều khiển vector không gian trung bình (tương đương ) là xác định thời gian đóng ngắt linh kiện để đạt được vector U có độ lớn là U và góc lệch pha α cho trước Ta có thể dẫn giải

hệ thức tính τ1,τ2,τ0 như sau:

) 3 sin(

cơ bản điện áp pha UZ(1)m Từ hình vẽ , ta có:

3

) 1 (

d m Z

U

Chỉ số điều chế tương ứng sẽ là:

907 0 3 2 2

II.3 MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN THỜI GIAN DEAD TIME

Trên lý thuyết, việc đóng ngắt của các linh kiện bán dẫn được coi là lý tưởng tức là: ton = 0, toff=0 Nhưng trên thực tế, quá trình đóng và ngắt của

linh kiện có thời gian khác không Do đó để tránh gây ngắn mạch trong

nghịch lưu (van trên và van dưới của một nhánh cấu đồng thời cùng đóng) khi chuyển trạng thái đóng ngắt giữa hai van, ta phải làm trễ xung đóng van một khoảng thời gian bằng tổng thời gian ngắt cộng thêm một khoảng thời gian an

thường được chọn sao cho: t off = 70…80%t D

(II.8)(II.7)

(II.9)

Trang 33

CHƯƠNG III:

LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SỐ

Trang 34

Sau khi nghiên cứu về lý thuyết vector không gian, ta nghiên cứu các kỹ thuật trong việc điều chế véc tơ không gian như: Kỹ thuật Analog, kỹ thuật Digital để xây dựng nên mô hình điều khiển cho phù hợp

III.1 KỸ THUẬT ANALOG: dùng phương pháp điều rộng xung PWM

Kỹ thuật này được lý giải như sau: từ điện áp 3 pha của lưới, cần tạo ra điện áp tham chiếu (Reference), đồng thời tạo ra các sóng mang dạng tam giác Sau khi so sánh hai dạng sóng này bằng bộ so sánh để tạo xung kích cho biến tần Phương pháp này gọi là phương pháp điều rộng xung (PWM)

III.2.KỸ THUẬT DIGITAL:

a)Dùng ROM và COUNTER:

Từ các giá trị đầu vào như biên độ và góc lệch pha, tín hiệu này tạo ra địa chỉ để truy xuất ROM1, dữ liệu từ ROM1 được đưa qua bộ đếm Xung từ bộ đếm kết hợp với xung đồng bộ để tạo ra tín hiệu đưa vào bộ đếm 2 Tín hiệu của bộ đếm 2 chính là địa chỉ để truy xuất dữ liệu từ ROM 2 Dữ liệu của ROM 2 chính là dạng xung kích cho các bộ nghịch lưu

Trang 35

Ưu điểm: đối với kỹ thuật này khi thiết kế mạch gọn nhẹ, đơn giản, giá

thành thấp

Nhược điểm:

- Nếu yêu cầu điều khiển dải rộng cần có dung lượng bộ nhớ lớn

- Bị ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu của môi trường làm việc

- Điều khiển không linh hoạt

COUNTER

2

OSC 10Khz

SW3

SW4 SW5

SW6 Bus

Định dạng
Số trang	70
Dung lượng	0,99 MB