Tải bản đầy đủ

PID dựa trên MPSO điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha

1

Chương 1: Tổng quan
1.1

Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài
nước
Ở nước ngoài, tác giả Neenu Thomas, Dr. P. Poongodi sử dụng thuật toán di

truyền (genertic algorithm) để tìm bộ thông số PID dùng điều khiển vị trí cho động
cơ DC [1].
Tác giả L. Mokrani, R. Abdessemed dùng thuật toán fuzzy logic để tìm bộ
thông số PID cho điều khiển không định hướng từ thông (indirect field-oriented) ho
động cơ không đồng bộ [2].
Ở Việt Nam, tác giả Huỳnh Đức Chấn đã nghiên cứu đề tài “ Ứng dụng giải
thuật bầy đàn để xác định thông số bộ PID trong điều khiển tốc độ động cơ không
đồng bộ ba pha” [3].
Tuy nhiên thời gian đáp ứng và xác lập của bài toán điều khiển vẫn còn có
thể tối ưu thêm được nữa, và tốc độ hội tụ của bài toán còn khá lâu. Xuất phát từ
những vấn đề trên chúng tôi thực hiện đề tài: “PID dựa trên MPSO điều chỉnh tốc
độ động cơ không đồng bộ 3 pha”

1.2

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
1.2.1

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu là phương pháp để điều khiển động cơ điện không đồng
bộ 3 pha .
1.2.2

Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu phương pháp điều khiển P.I.D
dựa trên MPSO để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha.
1.3

Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là động cơ điện không đồng bộ 3 pha (three-phase

induction motor), thuật toán bầy đàn cải tiến MPSO (modified partical swarm
optimization) và phương pháp điều khiển PID (Proportional Integral Derivative)
1.4

Phương pháp nghiên cứu
Trong đề tài này tôi sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau:
− Phương pháp tham khảo tài liệu


2
− Phương pháp quan sát: quan sát về cách đáp ứng của tốc độ , moment, các
thông số trên đồ thị.
− Phương pháp thực nghiệm mô phỏng: Sử dụng công cụ tính toán tìm tối ưu
trong phần mềm Matlab, tạo dữ liệu mô phỏng, mô phỏng kiểm chứng.
1.5

Kế hoạch thực hiện
Giai đoạn 1 (6/2016–9/2016):
Động cơ không đồng bộ 3 pha và mô hình toán của nó.
Giai đoạn 2 (9/2016 – 11/2016):


Bộ inverter 3 pha (DC-AC).
Giai đoạn 3 (11/2016 – 1/2017):
Các bộ điều khiển .
Giai đoạn 4 (1/2017–7/2017):
Thuật toán PID và MPSO.

1.6

Kết cấu của luận văn

Luận văn gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương này gồm những nội dung sau:
− Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước.
− Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu.
− Đối tượng nghiên cứu.
− Phương pháp nghiên cứu.
− Kế hoạch thực hiện.
Chương 2: Động cơ không đồng bộ 3 pha và mô hình toán
Chương này gồm những nội dung sau:
− Giới thiệu đông cơ 3 pha.
− Vector không gian và hệ tọa độ từ thông.
− Cấu trúc của hệ điều khiển tựa theo từ thông Rotor.
Chương 3: Bộ inverter 3 pha (dc-ac)
Chương này gồm những nội dung sau:
− Tổng quan về nghịch lưu đa bậc.


3
− Giới thiệu bộ nghịch lưu áp đa bậc.
− Các cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc.
− Các trạng thái đóng ngắt cả nghịch áp đa bậc.
− Bộ điều khiển nghịch lưu áp.
Chương 4: Các bộ điều khiển
Chương này gồm những nội dung sau:
− Bộ điều khiển PID.
− Bộ điều khiển thích nghi (adaptive controller).
− Kỹ thuật điều chế độ rộng xung.
Chương 5: Thuật toán PID và MPSO
Chương này gồm những nội dung sau:
− Giải thuật tối ưu hóa bầy đàn PSO.
− Giải thuật MPSO.
− Mô tả thuật toán MPSO trong điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha.
Chương 6: Mô hình toán và mô phỏng
Chương này gồm những nội dung sau:
− Cấu trúc bộ điều khiển PID bằng thuật toán bầy đàn cải tiến.
− Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ bằng Matlab-Simulink.
− Mô phỏng.
− Kết quả mô phỏng.
− So sánh PSO và MPSO.


4

Chương 2: Động cơ không đồng bộ 3 pha và mô hình toán
2.1

Giới thiệu động cơ 3 pha
2.1.1

Giới thiệu

Động cơ điện không đồng bộ ba pha (ĐCĐKĐBBP) là loại máy điện xoay
chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ có tốc độ quay của Rotor
khác với tốc độ quay từ trường

 r (rad/s)

s (rad/s) .

ĐCĐKĐBBP có hai bộ dây quấn: dây quấn Stator (sơ cấp) nối với lưới điện
tần số không đổi, dây quấn Rotor (thứ cấp). Dòng điện trong dây quấn Rotor được
sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số phụ phụ thuộc vào Rotor, nghĩa là phụ
thuộc vào tải trên trục của máy.

(Nguồn:
promplace.ru)
Hinh 2. 1: Hình dạng của ĐCĐKĐBBP
Dây quấn Stator của ĐCĐKĐBBP gồm có ba cuộn dây ba pha đặt lệch nhau
một góc 1200 độ điện và được đấu thành Hình sao hoặc Hình tam giác tùy theo
nguồn điện cấp vào động cơ. Dây quấn của Rotor có hai loại:
Loại Rotor kiểu dây quấn: là Rotor có dây quấn giống như dây quấn của
Stator, gòm có ba pha cũng được đặt lệch nhau một gốc 1200 độ điện được đấu lại
Hình sao, ba đầu còn lại được nối với ba vành trượt đặt cố định ở đầu trục động cơ
và thông qua chổi than đấu với mạch điện bên ngoài. Khi làm việc bình thường dây
quấn Rotor được nối ngắn mạch, khi ở chế độ mở máy được nối với mạch điều
khiển máy bên ngoài.


5
Loại Rotor kiểu lồng sóc: là loại trong mỗi rãnh mạch từ được đặt thanh dẫn
bằng đồng hoặc nhôm, hai đầu của thanh dẫn có hai vòng ngắn mạch nối các đầu
thanh dẫn với nhau tạo thành một mạch kín để Hình thành dòng điện cảm ứng đi
qua khi có từ trường quay xuất hiện trong Stator. Do kết cấu rất đơn giản và chắc
chắn, động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc được sử dụng làm nguồn động lực rất
rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp cũng như trong sinh hoạt.
Trong hai loại động cơ trên, loại Rotor lồng sóc đã chiếm ưu thế tuyệt đối
trên thị trường vì dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ hơn. Sự phát
triển như vũ bão của kỹ thuật vi điện tử 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.
Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ

2.1.2

(Nguồn: [4])
Hinh 2. 2: Sơ đồ tương đương một pha động cơ không đồng bộ
Phương trình điện áp cung cấp cho động cơ: [4]

Vs = E + I * ( Rs + js Ls )
Với :
Vs : Điện áp pha của lưới điện cung cấp cho động cơ.
E : Sức điện động cảm ứng trong dây quấn Stator.
I : Dòng điện pha Stator.
Rs : Điện trở pha dây quấn Stator.
Ls : Điện cảm tản từ dây quấn Stator.

 s : Tốc độ góc của lưới điện.
2.1.3

Các quan hệ công suất trong động cơ không đồng bộ

Công suất động cơ lấy từ lưới điện:

(2.1)


6

P = 3U d I d cos

(2.2)

Tổn hao trong dây quấn Stator:

Pcu1 = 3I 2

Rs
s

(2.3)

Công suất điện từ chuyển từ Stator qua Rotor thông qua từ thông khe hở không
khí:

Pdt = 3I r2 Rr'

(2.4)

Tổn hao nhiệt trên Rotor do dòng điện Rotor sinh ra:

Pt 2 = 3I r2 Rr'

(2.5)

Công suất cơ của động cơ:

Pc = 3I r2 Rr'

1− s
s

(2.6)

R2' 1
s db

(2.7)

Moment điện từ:
M dt =

Pdt

s

= 3I 2' 2

Hay:
M dt =

1 Pc Pc
=
1 − s 1 

(2.8)

ndb 2 f
60 p

(2.9)

Với:

1 = 2

2.2

Vector không gian và hệ tọa độ từ thông
2.2.1

Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha

Động cơ không đồng bộ ba pha có ba cuộn dây Stator với dòng điện ba pha
được bố trí trong không gian như Hình vẽ. 2.3
Phương trình dòng điện Stator :

isa (t ) + isb (t ) + isc (t ) = 0
Với :

(2.10)


7

isa (t ) = is cos(st )

0
isb (t ) = is cos(st − 120 )
i (t ) = i cos( t + 1200 )
s
s
 sc

( 2.11)

Hinh 2. 3: Vị trí không gian các pha
Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), động cơ không đồng bộ 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 pha A của động cơ, ta có thể xây dựng
vector không gian cho dòng điện Stator: [1]

2
i s (t ) = i sa (t ) + i sb (t ) + i sc (t ) 
3

(2.12)

0
0
2
isa (t ) + isb (t )e j120 + isc (t )e j −120 

3
i s (t ) = is e j

(2.13)

i s (t ) =

Theo công thức (2.13), vector is(t) là vector có modul không đổi quay trên mặt
phẳng phức với tốc độ góc
A) một góc pha
như Hình 2.4.

 = s t

s = 2 f s

và tạo với trục thực (trục cuộn dây pha

(fs là tần số mạch Stator). Việc xây dựng được mô tả


8
Dòng điện của từng pha chính là Hình chiếu của vector dòng điện Stator

is

lên trục cuộn dây tương ứng. Đối với các đại lượng khác của động cơ như dòng
Rotor dòng Stator, từ thông Rotor và từ thông Stator đều có thể xây dựng trên
vector không gian tương tự như dòng điện Stator.

(Nguồn: [4])
Hinh 2. 4: Xây dựng vector không gian từ các đại lượng pha

2.2.2

Hệ tọa độ cố định Stator (α-β)

Vector không gian dòng điện Stator có modul là |is| và quay trong mặt phẳng
phức với tốc độ góc ωs và tạo với trục cuộn dây A một góc ωst. Đặt tên trục cuộn

 và trục vuông góc với nó trục ảo là β. Khi đó ta có được một
hệ tọa độ là hệ tọa độ cố định Stator (  -β) và các vector không gian có thể mô tả
thông qua 2 thành phần là trục thực  và trục ảo β.
Bằng cách chiếu vector không gian lên hai trục tọa độ (  -β) ta có thể tính được
dây A là trục thực

thành phần theo hai trục tọa độ bằng phương pháp Hình học . Xét thành phần vector
dòng điện trong hệ trục tọa độ (  -β):
isa = is

1
3

isb = − is +
is

2
2

i = −i − i = − 1 i − 3 i
sc
sa
sb
s
s

2
2


( 2.14 )


9
Suy ra:
is = isa

1
1

i
=
i
+
2
i
=
(
)
( isb − isc )
s

sa
sb

3
3


( 2.15)

(Nguồn: [4])

Hinh 2. 5: Biểu diễn dòng diện Stator dưới dạng vector không gian
Theo phương trình trên thì ta chỉ cần xác định hai thành phần dòng điện pha A
và pha B thì ta có thể xác định vector dòng điện không gian, vì đây là dòng điện ba
pha cân bằng, dòng điện pha C đã nằm sẵn trong phương trình:

is = is + jis

us = us + jis

ir = ir + jir 

 r =  r + j r 
 =  + j
s
r
 s
2.2.3

(2.16)

Hệ tọa độ từ thông Rotor (d – q)

Khi chuyển tọa độ vector không gian ta tạm rời mặt phẳng của hệ tọa độ (  -β) ta
xét thêm một hệ tọa độ thứ hai có trục hoành d và trục tung q, hệ tọa độ này có
chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc

s

so với hệ tọa độ Stator [1]. Khi đó sẽ

tồn tại hai tọa độ và một vector không gian có thể biểu diễn trên hai tọa độ này.


10
Trong đó: a =

d s
quay tròn quanh góc tọa độ chung, với  s = a t + a 0
dt

Từ Hình 2.6 ta có thể biểu diễn mối liên hệ giữa hai tọa độ như sau:

us = usd cos s − usq sin  s

us = usd sin  s + usq cos s

(2.17)

(Nguồn: [4])
Hinh 2. 6: Mối liên hệ giữa tọa độ (α–β) và tọa độ (d-q)

Và ta lại có:

us = us + jus
usdq = usd + jusq

(2.18)

Biến đổi hai phương trình trên ta được mối liên hệ giữa hai tọa độ trên:

usd = us cos s + us sin  s

usq = −us sin  s + us cos s

(2.19)

Các hệ phương trình này có tác dụng chuyển từ hệ tọa độ (  -β) sang (d-q) và
ngược lại cho điện áp Stator và cũng đúng khi áp dụng cho các thành phần khác của
động cơ [3]. Khi xét hệ tọa độ (d-q), ta cho trục d trùng với trục từ thông Rotor và
quay với tốc độ góc bằng với tốc độ góc của vector từ thông Rotor Hình 2.7.
− Trong hệ tọa độ từ thông Rotor, các vector dòng Stator và các vector từ
thông Rotor quay cùng với hệ tọa độ (d – q), do đó các phần tử của vector
dòng Rotor là các đại lượng một chiều, trong chế độ xác lập các giá trị này


11
gần như không đổi, còn trong quá trình quá độ, các đại lượng này biến thiên
theo một thuật toán đã được định trước.
− Một ưu điểm nữa là thành phần từ thông Rotor trên trục (q) có giá trị là 0 do
vuông góc với từ thông Rotor trùng với trục (d), do đó từ thông Rotor chỉ
còn thành phần theo trục (d) và là đại lượng một chiều.

(Nguồn: [4])
Hinh 2. 7: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ (d – q)

2.3

Cấu trúc của hệ điều khiển tựa theo từ thông Rotor
2.3.1

Thông số của động cơ không đồng bộ

Ls = Lm + L s

: điện cảm Stator

(2.20)

Lr = Lm + L r

: điện cảm Rotor

(2.21)

Ts = Ls / R s

: hằng số thời gian Stator

(2.22)

Tr = Lr / R r

: hằng số thời gian Rotor

(2.23)

L2m
 = 1−
Ls Lr

: hệ số tiêu tan tổng

(2.24)

Trong đó:
Lm =

Xm
2 f s

L r =

X r
2 f s

(2.25)
(2.26)


12
L s =

2.3.2

X s
2 f s

(2,27)

Hệ phương trình cơ bản của động cơ
Đặc tính động của động cơ không đồng bộ được mô tả với một hệ

phương trình vi phân. Để xây dựng phương trình cho động cơ, ta lý tưởng
hóa bằng các giả thiết sau:
− Các cuộn dây Stator được bố trí đối xứng trong không gian.
− Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bão hòa của mạch từ.
− Dòng từ hóa và từ trường phân bố Hình sin trong khe hở không khí.
− Các giá trị điện trở và điện kháng xem như không thay đổi.
Phương trình điện áp trên ba cuộn dây Stator: [1]

d sa (t )

usa (t ) = Rs isa (t ) + dt

d sb (t )

usb (t ) = Rsisb (t ) +
dt

d sc (t )

usc (t ) = Rsisc (t ) + dt


(2.28)

Biểu diễn điện áp theo dạng vector :
0
0
2
uss (t ) = (usa (t ) + usb (t )e j120 + usc (t )e j 240 )
3

(2.29)

Thay các điện áp các pha trong (1.27) vào (1.28) ta có phương trình điện áp
Stator dưới dạng vector như sau.

uss (t ) = Rs is s (t ) +

d ss (t )
dt

(2.30)

Tương tự như đối với điện áp, ta có phương trình của dòng điện Stator và từ
thông Stator :
0
0
2
is s (t ) = (isa (t ) + isb (t )e j120 + isc (t )e j 240 )
3

(2.31)

2
 ss (t ) = ( sa (t ) + sb (t )e j120 + sc (t )e j 240 )
3
0

0

(2.32)


13
Tương tự như cuộn day Stator, ta có phương trình điện áp của mạch Rotor do
các quan sát trên hệ thống Rotor:

d rr (t )
u (t ) = 0 = Rr ir (t ) +
dt
r
s

r

(2.33)

Các vector từ thông Stator và Rotor :

 s = Ls is + Lmir

(2.34)

 r = Lmis + Lr ir

(2.35)

Phương trình moment:

M=

3
3
p ( s  is ) = p ( r  ir )
2
2

(2.36)

Phương trình chuyển động:
M = Mc +

2.3.3

J d
p dt

(2.37)

Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ (α-β) [4]

Từ hệ quy chiếu Rotor quy về hệ quy chiếu Stator , theo các phương trình:

ir r = isr e− j

(2.38)

 rr =  sr e− j

(2.39)

Biến đổi từ các phương trình trên ta được:
 s
d ss
us = Rs is +
dt

d rs (t )

s
0
=
R
i
(
t
)
+
− j rs
r r


dt
 s
s
s
 s = Ls is + Lm ir
 rs = Lm is s + Lr ir s

 M = 3 p (  i ) = 3 p ( i  )
s
s
r
r

2
2


(2.40)

Để xác định dòng điện Stator và từ thông Rotor, ta có:
ir s =

1
 rs − Lm is s )
(
Lr
uss = Rs is +  Ls

(2.41)
dis s Lm d rs
+
dt
Lr dt

(2,42)


14

0=−

1

Lm s
is (t ) +  − j  rs
Tr
 Tr


(2.43)

Suy ra:

 1 1−
dis
= −
+
dt

T
 s  Tr


1− ' 1−
1
 r +
 r'  +
us
 is +

T

T

L
r
r
s


(2.44)

 1 1−
= −
+
dt

T
 s  Tr


1−
1− '
1
 r'  +
 r +
us
 is −


T

L
r
s


(2.45)

dis

d r/
1
1
= is −  r/ −  r/
dt
Tr
Tr

d r/
dt
2.3.4

=

1
1
is +  r/ −  r/
Tr
Tr

(2.46)

(2.47)

Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ (d – q) [4]

Hệ phương trình điện áp và từ thông được biểu diễn trên hệ tọa độ (d – q):

d sf
u = Rs is + js +
dt
f
s

f

f
s

d r

(2.48)

f

0=R i +
f
r r

dt

+ jr r

f

(2.49)

 sf = i sf Ls + i rf Lm

(2.50)

 rf = i sf Lm + i rf Lr

(2.51)

Suy ra:
1
f
f
( r − i s Lm )
Lr

(2.52)


L2m  f Lm f
 =  Ls −  is +  r
Lr 
Lr


(2.53)

ir =
f

f
s

Thực hiện tương tự đối với việc xây dựng mô hình động cơ không
f
f
đồng bộ trên hệ tọa độ ( −  ) khử các biến ir và  s ta được hệ sau: [1]

 1 1−
dis f
= −
+
dt
  Ts  Tr

 f
 f
1−  1
1 f
f
i

j

i
+

j

u
s

 r +
s s
 Lm  Tr
 Ls s



(2.54)


15


d rf Lm f  1
= is −  + jr  rf
dt
Tr
 Tr


(2.55)

Chuyển sang các dạng thành phần của vector trên hai trục tọa độ:

 1 1−
disd
= −
+
dt

T
 s  Tr


1−
1−
1
 rd +
 rq +
usd
 isd + sisq +

T
L

L

L
r m
m
s


(2.56)

 1 1−
= −
+
dt

T
 Tr
s



1−
1−
1
 rq −
 rd +
usq
 isq − sisd +

T
L

L

L
r
m
m
s


(2.57)

disq

d rd Lm
1
=
isd −  rd + r rq
dt
Tr
Tr
d rq
dt

=

Lm
1
isq −  rq − r rd
Tr
Tr

(2.58)
(2.59)

f
Trong hệ tọa độ (d – q);  rq = 0 do vuông góc với  r nên  rf =  rd

 1 1−
disd
= −
+
dt

T
 s  Tr


1−
1
 rd +
usd
 isd +  s isq +

T
L

L
r m
s

(2.60)

 1 1− 
1−
1
= −
+
 rd +
u
 isq −  s isd −
dt
 Lm
 Ls sq
  Ts  Tr 

disq

(2.61)

d rd Lm
1
=
isd −  rd
dt
Tr
Tr

(2.62)

Lm
isq = sl rd
Tr

(2.63)

Phương trình moment:
M=

3 Lm
p ( rd isq − rqisd )
2 Lr

(2.64)

Phương trình chuyển động:

M = Mc +
2.4.

J d
p dt

(2.65)

Bộ điều khiển định hướng từ thông (field-oriented control)
Trong các loại động cơ, động cơ không đồng bộ dễ chế tạo, giá thành rẻ

nhưng điều chỉnh chính xác tốc độ quay rất khó khăn. Nguyên nhân là sự tác động


16
qua lại của từ thông Rotor và moment quay của động cơ, từ thông Rotor là đại
lượng rất khó đo chính xác . Điều này dẫn đến việc điều khiển chính xác moment
quay và tốc độ quay gặp khó khăn, hiệu suất động cơ thấp. Nhờ sự phát triển nhanh
chóng của ngành công nghiệp vi xử lý, điện tử công suất nên việc áp dụng các
phương pháp phức tạp vào điều khiển động cơ không đồng bộ ngày càng trở nên dễ
dàng hơn. Một trong những phương pháp tối ưu hiện nay là phương pháp điều khiển
định hướng từ thông (Field orientated control – FOC).
Phương pháp FOC gồm có các loại sau: điều khiển định hướng theo từ thông
Stator và điều khiển định hướng theo từ thông Rotor.Tuy nhiên phương pháp điều
khiển định hướng theo từ thông Rotor có nhiều ưu điểm vượt trội: ứng dụng phương
pháp vector không gian ta có thể dễ dàng xây dựng mô hình động cơ và các phương
trình trên hệ tọa độ (d – q), triệt tiêu thành phần từ thông Rotor trên trục (q), còn
thành phần từ thông Rotor trên trục (d) có thể xem như một đại lượng một chiều,
các đại lượng dòng điện, điện áp khi được chiếu lên hai trục tọa độ d và q cũng là
các thành phần một chiều . Với những ưu điểm như trên, tác giả tập trung nghiên
cứu về phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ định hướng theo từ thông
Rotor.
Cấu trúc của hệ thống điều khiển định hướng từ thông Rotor trong điều khiển
động cơ không đồng bộ ba pha được trình bày như Hình 4.1.Bằng việc mô tả các
thành phần của động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông Rotor (d – q),
vector dòng Stator is sẽ chia thành hai thành phần

isd và isq , thành phần isd điều

khiển từ thông Rotor còn thành phần isq điều khiển moment quay . Trong Hình 4.12,
động cơ được nuôi bởi biến tần nguồn áp, đại lượng điều khiển là điện áp và được
đặt lên Stator của động cơ.
Nguyên tắc điều khiển của FOC dựa trên việc điều khiển động cơ một chiều
kích từ độc lập: từ thông Rotor được giữ ổn định bởi dòng

is − d và sau đó thì

moment và tốc độ động cơ được điều khiển bởi dòng tạo moment is − q .


17

1
s

Hinh 2. 8: Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC

(Nguồn: [3])

Hai phương pháp tiếp cận trong điều khiển vector từ thông Rotor thường
được sử dụng là phương pháp điều khiển trực tiếp (sử dụng cảm biến để đo trực tiếp
từ thông Rotor của động cơ) và phương pháp thứ hai là phương pháp điều khiển
gián tiếp dựa trên việc đo vị trí Rotor. Phương pháp điều khiển trực tiếp có nhiều
nhược điểm như: cảm biến sẽ làm mô hình động cơ thêm cồng kềnh, giá thành tăng
lên, và từ thông đo được cũng khó chính xác. Do đó, phương pháp điều khiển FOC
kiểu gián tiếp là phương pháp dễ được chấp nhận. Vấn đề đặt ra đối với FOC kiểu
gián tiếp là làm sao xây dựng được mô hình nhằm hiệu chỉnh sai số của từ thông
Rotor và tốc độ động cơ được ước lượng hồi tiếp về . Góc  đóng vai trò rất quan
trọng trong phương pháp điều khiển gián tiếp FOC.


18

Chương 3: Bộ inverter 3 pha (DC-AC)
3.1 Tổng quan về nghịch lưu đa bậc
Các bộ chuyển đổi AC  DC (chỉnh lưu, nghịch lưu, biến tần) ngày càng
được quan tâm nghiên cứu. Để đáp ứng các nhu cầu công suất lớn, cần phải nâng
cao điện áp và dòng điện. Tuy nhiên do khả năng chịu dòng và áp của các linh kiện
điện tử công suất có giới hạn nên song song với việc phát triển các linh kiện công
suất lớn, người ta dùng giải pháp mắc song song để tạo dòng điện cao và mắc nối
tiếp để tăng điện áp. Giải pháp mắc nối tiếp cho ra đời các cấu trúc mạch nghịch lưu
áp đa bậc thay cho nghịch lưu áp hai bậc truyền thống. Mạch nghịch lưu áp đa bậc
có nhiều ưu điểm như công suất cao hơn, chất lượng điện áp và dòng điện ngõ ra tốt
hơn, mạch lọc đầu ra nhỏ hơn v.v so với nghịch lưu áp hai bậc. Tuy nhiên nó cũng
có nhiều nhược điểm như cần nhiều linh kiện hơn, giải thuật điều khiển phức tạp
hơn và vì vậy giá thành cũng đắt hơn.
Hiện nay bộ nghịch lưu áp đa bậc 3 pha được sử dụng rộng rãi do những ưu điểm
của nó như công suất cao hơn, chất lượng dòng điện và điện áp ngõ ra tốt hơn, mạch
lọc ngõ ra nhỏ hơn v.v và ứng dụng thực tiễn của nó đạt hiệu quả rất cao.
3.2 Giới thiệu bộ nghịch lưu áp đa bậc
Bộ nghịch lưu áp có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một
chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay
chiều.
Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện. Nếu đại
lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp thì bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch
lưu áp, ngược lại gọi là bộ nghịch lưu dòng.
Các bộ nghịch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu trong bộ biến tần. Ứng dụng
quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng nhằm vào lĩnh vực truyền động điện
động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu
được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần. Bộ nghịch
lưu còn ứng dụng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện


19
liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng và còn được ứng dụng trong lĩnh vực bù nhuyễn
công suất phản kháng…
Bộ nghịch lưu áp có nhiều loại cũng như có nhiều phương pháp điều khiển
khác nhau:


Theo số pha điện áp đầu ra: nghịch lưu áp một pha, ba pha.



Theo số cấp giá trị điện áp giữa một đầu pha tải đến một điểm điện thế
chuẩn trên mạch DC có: hai bậc (two level), đa bậc (multilevel – từ ba bậc
trở lên).
Khái niệm bộ biến tần hai bậc xuất phát từ điện áp một đầu pha tải (pha a, b,

c) với điểm chuẩn (vị trí nối đất) trên mạch DC thay đổi giữa hai bậc khác nhau (Vdc
và 0). Bộ nghịch lưu áp hai bậc có nhược điểm là tạo điện áp cung cấp cho cuộn
dây động cơ dv/dt khá lớn và gây ra hiện tượng điện áp common – mode (VN0 ≠ 0)
rất nghiêm trọng. Bộ nghịch lưu áp đa bậc được phát triển để giải quyết các vấn đề
gây ra nêu trên của bộ nghịch lưu áp hai bậc và thường được sử dụng cho các ứng
dụng điện áp cao và công suất lớn.
Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc là công suất của bộ nghịch lưu tăng
lên, điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình
đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo (switching losses); với cùng tần số đóng
ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với bộ nghịch
lưu áp hai bậc.
Theo cấu Hình bộ nghịch lưu: dạng cascade (cascade inverter), dạng nghịch lưu
chứa cặp diode kẹp NPC (neutral point clamped multilevel inverter)…
Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp:
− Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM-sin pulse width
modulation).
− Phương pháp điều khiển theo biên độ.
− Phương pháp điều chế độ rộng xung (SH-PWM).
− Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM).
− Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM-space vector pulse width
modulation).


20
3.3 Các cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc
Cấu trúc bộ nghịch lưu áp chứa cặp diode kẹp (neutral point

3.3.1

clamped multilevel inverter –NPC)
Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ
nghịch lưu đa bậc chứa các cặp diode kẹp có một mạch nguồn DC được phân chia
thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp[5].
Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp. Điện
áp pha - tâm nguồn DC (điểm 0) có thể đạt được (n+1) giá trị khác nhau và từ đó bộ
nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc. Ví dụ: xét Hình 1.1 bên dưới,
chọn mức điện thế 0 ở cuối dãy nguồn, các mức điện áp có thể đạt được gồm (0,
Vdc/2, 2Vdc/2, 3Vdc/2,…nVdc/2). Điện áp từ một pha tải (ví dụ pha a) thông đến một
vị trí bất kỳ trên nhánh DC (ví dụ M) nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó (ví dụ Da4,
D’a4)
S5a
Da1
+

Vdc/5

-

S4a
Da2

S3a
Da3
+

Vdc/5

-

S2a
Da4

S1a
+

a

Vdc/5

b

N

-

S'5a

c

D'a1

+

Vdc/5

S'4a
D'a2

-

S'3a
M

+

D'a3

S'2a

Vdc/5

-

D'a4

S'1a

(Nguồn: [5])
0

Hình 3. 1: Bộ nghịch lưu áp dạng diode kẹp (NPC)

Để điện áp pha – tâm nguồn DC đạt được mức điện áp Ua0 = Vdc/5, tất cả các
linh kiện bị kẹp giữa hai diode (Da4, D’a4) – gồm n linh kiện mắc nối tiếp liên tục kề


21
nhau S1a, S’5a, S’4a, S’3a, S’2a phải được kích đóng, các linh kiện còn lại phải
được khoá theo nguyên tắc kích đối nghịch. Như Hình vẽ trên, tạo ra sáu mức điện
áp pha – tâm nguồn DC (điểm 0) nên mạch nghịch lưu áp trên gọi là bộ nghịch lưu
áp sáu bậc.
Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và
giảm shock điện áp trên linh kiện n lần.Với bộ nghịch lưu ba bậc, dv/dt trên linh
kiện và tần số đóng cắt giảm đi một nửa. Tuy nhiên với n > 3, mức độ chịu gai áp
trên các diode sẽ khác nhau. Ngoài ra, cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên
tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn.
3.3.2

Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng Cascade (cascade inverter)

Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp trong trường hợp sử dụng nguồn DC
có sẵn, ví dụ dưới dạng acquy, battery. Cascade inverter gồm nhiều bộ nghịch lưu
áp cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghịch lưu áp dạng cầu một pha này có các
nguồn DC riêng[5].
Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo
nên n khả năng mức điện áp theo chiều âm (-Vdc, -2Vdc, -3Vdc, -4Vdc,… -nVdc), n
khả năng mức điện áp theo chiều dương ( Vdc, 2Vdc, 3Vdc, 4Vdc,…nVdc ) và mức
điện áp 0. Như vậy, bộ nghịch lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghịch lưu áp một pha
trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghịch lưu (2n+1) bậc.


22
Vout

+

Vdc

-

+

Vdc

-

0

(Nguồn: [5])

Hình 3. 2: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade inverter
Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n lần


dv
cũng vậy. Điện áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57 lần, cho phép sử dụng
dt

IGBT điện áp thấp.

3.3.3

Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng tụ điện thay đổi (Flying capacitor
inverter)

+

a
b
c

Vdc

-

0

(Nguồn: [5])
0

Hình 3. 3: Bộ nghịch lưu áp dạng tụ điện thay đổi


23
Ưu điểm chính của bộ nghịch lưu dạng này là:


Khi số bậc tăng cao thì không dùng bộ lọc.



Có thể điều tiết công suất tác dụng và phản kháng nên từ đó có thể điều tiết
việc phân bố công suất trong lưới có dùng biến tần.

Nhưng bên cạnh đó còn có một số nhược điểm sau:


Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều dẫn đến giá thành
tăng và độ tin cậy giảm.



Việc điều khiển sẽ khó khăn khi số bậc bộ nghịch lưu áp tăng cao.

3.4 Các trạng thái đóng ngắt của nghịch áp đa bậc
3.4.1 Tổng quát
Xét bộ nghịch lưu áp n bậc dạng chứa cặp diode kẹp (NPC) (Hình 3.4). Gọi
Vdc/5 là độ lớn điện áp trong mỗi nguồn riêng lẻ phụ thuộc độ lớn điện áp pha
nguồn Vdc cần thiết lập, các linh kiện bị kẹp giữa các cặp diode nối đến một điện
thế trên mạch DC cần thiết lập sẽ ở trạng thái kích đóng. Điện áp pha – tâm nguồn
DC tính từ điểm đấu dây của một pha tải đến một điện thế chuẩn (điểm 0) trên mạch
DC.
Trạng thái kích ngắt của các khóa bán dẫn trên một nhánh pha tải của các pha a, b, c
phải thỏa mãn điều kiện kích đối nghịch. Nếu các khóa bán dẫn trên một nhánh pha
cùng kích đóng thì gây ngắn mạch nguồn hoặc không được phép cùng kích ngắt.
Sja+ S’ja =1;

Sjb +S’jb =1;

Sjc + S’jc =1

(3.1)

Với: j = 1, 2,3… (n-1)
Gọi N là điểm nút ba pha tải dạng sao đối xứng. Ta có điện áp ba pha
tải:

uta = ua 0 − u N 0 ;

utb = ub 0 − u N 0 ;

utc = uc 0 − u N 0

Điện áp ua0, ub0, uc0 gọi là điện áp pha tâm nguồn của pha a, b, c.

(3.2)


24
Giả thiết tải ba pha đối xứng, thoả mãn hệ thức:

uta + utb + utc = 0

(3.3)

ua 0 + ub 0 + uc 0 − 3u N 0 = 0

(3.4)

Điện áp Common mode:

uN 0 =

ua 0 + ub 0 + uc 0
3

(3.5)

Ta có áp tải :

2ua 0 − ub 0 − uc 0

u
=
u

u
=
ta
a
0
N
0

3

2ub 0 − uao − uc 0

utb = ub 0 − u N 0 =
3

2uc 0 − ua 0 − ub 0

utc = uc 0 − u N 0 =
3


(3.6)

Từ đó ta thấy quá trình điện áp và quá trình dòng điện ngõ ra của bộ nghịch
lưu áp ba pha sẽ được xác định khi ta xác định được các điện áp nghịch lưu ua0, ub0,
uc0.
Nếu ba pha tải dạng tam giác, điện áp pha tải bằng điện áp dây do bộ nghịch
lưu cung cấp:

utab = ua 0 − ub 0 ;

utbc = ub 0 − uc 0 ;

utca = uc 0 − ua 0

(3.7)


25
3.4.2 Trạng thái đóng ngắt bộ nghịch lưu áp ba bậc NPC

S2a

Vdc/2

+

S1a

-

a
0

Vdc/2

+

S'2a

-

S'1a

(Nguồn: [5])

pha a

Hình 3. 4: Pha a của bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc dạng diode kẹp NPC
Xét pha a của bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc dạng diode kẹp NPC. Gọi Vdc/2
là độ lớn điện áp trên mỗi nguồn riêng lẻ phụ thuộc độ lớn điện áp pha nguồn Vdc.
Các linh kiện kẹp giữa cặp diode nối đến điện thế trên mạch DC cần thiết lập sẽ ở
trạng thái kích đóng. Điện áp pha tâm nguồn DC đạt được các giá trị cho trong bảng
sau:
Bảng 3. 1. Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu áp 3 bậc NPC
Vout = Vx0

S1x

S2x

S’1x

S’2x

+Vdc/2

1

1

0

0

0

0

1

1

0

- Vdc/2

0

0

1

1

Với x = a, b, c
Ta thấy có ba mức điện áp tồn tại ứng với ba trạng thái đóng ngắt linh kiện
cho mỗi pha. Vậy có 33 = 27 trạng thái đóng ngắt cho bộ nghịch lưu áp ba bậc.
Vì bộ nghịch lưu có thể tạo ra ba mức điện áp nên được gọi là bộ nghịch lưu
áp ba bậc.


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×