Chuyên đề Nghiên cứu hệ thống điều khiển truyền động dây chuyền xeo giấy

lô khởi động. Tủ YD 5 : Điều khiển cấp nguồn cho động cơ lô lạnh (Chilled Roll), lô căng bề mặt số 1, lô dẫn giấy số 5 (Paper Roll). Tủ YD 6 : Điều khiển cấp nguồn cho động cơ lô truyền động dưới. Tủ YD 7 : Điều khiển cấp nguồn cho động cơ lô trên và dưới sấy sau ép keo Tủ YD 8 : Điều khiển cấp nguồn cho động cơ lô truyền động trên. Tủ YD 10 : Điều khiển cấp nguồn cho động cơ lô chủ động 3, lô chủ động 4 và lô Lead In Roll. Tủ YD 11 : Điều khiển cấp nguồn cho động cơ lô sấy số 4. Tủ YD 12 : Điều khiển cấp nguồn cho động cơ lô sấy số 3. Tủ YD 13 : Điều khiển cấp nguồn cho động cơ lô sấy số 2. Tủ YD 14 : Điều khiển cấp nguồn cho động cơ lô sấy số 1. Tủ YD 15 : Điều khiển cấp nguồn cho động cơ lô ép trên số 3. Tủ YD 16 : Điều khiển cấp nguồn cho động cơ lô chủ động 1 và 2. Tủ YD 17 : Điều khiển cấp nguồn cho động cơ lô ép trên số 2. Tủ YD 18 : Điều khiển cấp nguồn cho động cơ lô trục ép hút số 1. Tủ YD 19 : Điều khiển cấp nguồn cho động cơ lô giữ (Pick-up Roll) và lô dưới ép phẳng bề mặt (Smoothing Press Bottom Roll). Tủ YD 20 : Điều khiển cấp nguồn cho động cơ lô lưới dưới. Tủ YD 21 : Điều khiển cấp nguồn cho động cơ lô trục bụng hút. Thông số các động cơ cho trong bảng sau: TT Tên động cơ Ký hiệu Công suất (kW) Dòng điện (A) 1 SUCTION COUCH ROLL 11-M01 250 457 2 BOTTOM WIRE ROLL 12-M01 250 457 3 PICK-UP ROLL 13-M01 55 105 4 1st PRESS SUCTION ROLL 14-M01 160 296 5 2nd PRESS TOP ROLL 15-M01 160 296 6 PAPER ROLL 1 16-M01 5.5 13.8 7 3rd PRESS TOP ROLL 17-M01 250 457 8 PAPER ROLL 2 18-M01 5.5 13.8 9 SMOOTHING PRESS BOTTOM ROLL 19-M01 55 105 10 1st DRYER GROUP 20-M01 90 166 11 2nd DRYER GROUP 21-M01 90 166 12 3rd DRYER GROUP 22-M01 90 166 13 3rd DRYER HELPER 23-M01 55 105 14 PAPER ROLL3 24-M01 5.5 13.8 15 PAPER ROLL 4 25-M01 5.5 13.8 16 LEAD IN ROLL 26-M01 5.5 13.8 17 TOP TRANSFER ROLL 27-M01 160 296 18 TOP METALING 28-M01 11 22 19 BOTTOM TRANSFER ROLL 29-M01 160 296 20 BOTTOM METALING 30-M01 11 22 21 CHILLED ROLL 31-M01 11 22 22 EXPANDER 1 32-M01 11 22 23 4th DRYER GROUP 33-M01 55 105 24 4th DRYER HELPER 34-M01 55 105 25 PAPER ROLL 5 35-M01 5.5 13.8 26 TOP CALENDER 37-M01 160 296 27 EXPANDER 3 39-M01 11 22 28 REEL DRUM 40-M01 55 106 29 SPOOL STARTER 41-M01 11 22 Bảng 2-2: Thông số các động cơ trong dây chuyền xeo II Hệ thống điều khiển truyền động dây truyền xeo giấy được lắp đật phân cấp. Trong hệ thống gồm cơ cấu chấp hành (động cơ) và thiết bị điều khiển: biến tần ACS 600, bộ điều khiển lập trình Advant Controller (AC 80), Application Controller (APC). Sơ đồ cấu trúc hệ thống được trình bày trên hình 2-11. Trong sơ đồ trên, điện áp xoay chiều qua bộ lọc và cầu dao được chỉnh lưu bằng bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha dùng kết hợp cả Diode và Thyristor. Điên áp một chiều sau chỉnh lưu dùng cung cấp chung cho toàn bộ biến tần trong hệ thống, gọi là Bus một chiều. Điện áp một chiều thông qua bộ biến tần sẽ được nghịch lưu thành dòng điện xoay chiều 3 pha có điện áp và tần số thích hợp cấp cho động cơ. Mỗi biến tần có thể cấp điện cho một (Single Drives) hay nhiều động cơ (Multi Drives). Để điều khiển các bộ biến tần chúng ta có thể sử dụng các bộ điều khiển lập trình : AC 80 hay APC. Để thiết lập các chương trình điều khiển biến tần, có thể tải chương trình từ máy tính hoặc thiết lập ngay tại chỗ bằng các Panel. Khác với hệ thống truyền động một chiều tất cả các chức năng điều khiển về đồng bộ tốc độ, điều khiển sức căng đều được tích hợp trong bộ điều khiển lập trình AC 80. Bộ AC 80 sẽ nhận các tín hiệu phản hồi như: dòng điện phần ứng, tốc độ động cơ, sức căng băng giấy, … tiến hành xử lý phát các tín hiệu điều khiển truyền động động cơ thông qua các bộ biến tần. 2.2.2.1. Phương pháp điều chỉnh trực tiếp mômen DTC. Phương pháp điều chỉnh trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ là phương pháp mới, hiện đang được ứng dụng tại dây chuyền xeo II của nhà máy giấy Bãi Bằng. Trong đó, việc phối hợp điều khiển bộ biến tần và động cơ đồng bộ là rất chặt chẽ. Logic chuyển mạch của biến tần dựa trên trạng thái điện từ của động cơ mà không cần đến điều chế độ rộng xung áp của biến tần. Do sử dụng công nghệ bán dẫn tiên tiến và các phần tử tính toán có tốc độ cao mà phương pháp điều chỉnh trực tiếp mômen cho các đáp ứng đầu ra thay đổi rất nhanh, cỡ vài phần nghìn giây. Nội dung phương pháp. Phần cốt lõi của phương pháp được mô tả trên hình 2-12, gồm các khối sau: Điều chỉnh có trễ với logic chuyển mạch tối ưu. mô hình động cơ cho phép tính toán nhanh và chính xác các giá trị thực của mômen động cơ, tốc độ quay của rôto và từ thông stato với tín hiệu vào là dòng điện các pha động cơ và giá trị tức thời của điện áp mạch một chiều. Các giá trị thực này được so sánh với các giá trị đặt để tạo ra tác động điều khiển bởi các bộ điều chỉnh mômen và các mạch vòng bên ngoài. Logic chuyển mạch tối ưu cho nghịch lưu sẽ được xác định trong trong từng chu kỳ điều khiển (25) và được thực hiện bởi các mạch điện tử chuyên dụng. Thông tin về trạng thái của các khoá bán dẫn lực (S1, S2, S3) được dùng để tính vector điện áp stato. Điều khiển trực tiếp mômen dựa trên lý thuyết điều khiển trường định hướng máy điện không đồng bộ, trong đó các đại lượng điện từ được mô tả bởi các vector: vector từ thông, vector dòng điện và vector điện áp được biểu diễn trong hệ toạ độ stato, hình 2-13. Hình sao điện áp có sáu vector thành phần và có hai vector điện áp zero tương ứng với nghịch lưu nguồn áp hai mức. Mômen điện từ là tích vector giữa vector từ thông stato và vector từ thông rôto, hoặc giữa vector dòng điện stato và vector từ thông: (2.16) Biên độ vector từ thông stato thường được giữ không đổi và dòng điện đó mômen được điều chỉnh bởi góc giữa các vector từ thông. Các động cơ bình thường có hằng số thời gian điện từ của mạch rôto cỡ hàng trăm miligiây, vì vậy có thể coi từ thông rôto là ổn định và biến đổi chậm hơn từ thông stato. Do đó có thể đạt được mômen yêu cầu bằng cách quay vector từ thông stato theo hướng nào đó càng nhanh càng có hiệu quả. Hình 2-12: Điều khiển trực tiếp mômen Logic chuyển mạch của các khoá bán dẫn lực thực hiện việc tăng hay giảm mômen còn giá trị tức thời của từ thông stato được điều chỉnh sao cho mômen động cơ đạt được giá trị mong muốn. Vector từ thông stato này lại được điều chỉnh nhờ điện áp cung cấp cho nghịch lưu. Trong hình 2-13 ta thấy thành phần điện áp U4 làm giảm thành phần hướng kính của từ thông đồng thời làm cho vector từ thông quay theo hướng quay của từ trường, chuyển động này làm tăng góc và làm tăng mômen động cơ đồng thời cũng làm thay đổi trạng thái từ hoá động cơ. Mục đích của điều khiển là bắt ép vector từ thông stato quay theo hướng sao cho đạt được cả hai giá trị mong muốn của từ thông và của mômen động cơ. logic chuyển mạch chỉ thay đổi khi các giá trị thực của các từ thông stato và mômen động cơ vượt khỏi vùng giá trị đặt với ngưỡng sai lệch cho phép, hình 2-15. thời điểm t0 là lúc không cần tăng mômen nữa và dòng điện đó vector điện áp là bằng không, giá trị thực của mômen giảm xuống cho tới khi nó bắt đầu nhỏ hơn ngưỡng sai lệch . Lúc này xảy ra quá trình chọn lại vector điện áp để làm tăng mômen (đoạn t+). Hình 2-13: Điều chỉnh vector từ thông stato trực tiếp theo sai lệch mômen Mô hình động cơ Mô hình động cơ tính toán các giá trị thực của mômen và từ thông dùng cho việc điều chế, nó cũng tính ra được tốc độ quay của rôto và tần số dòng điện stato để dùng cho các mạch điều chỉnh bên ngoài. Mô hình động cơ còn có choc năng nhận dạng thông số của động cơ dùng cho việc tính toán, hiệu chỉnh. Độ chính xác của mô hình là rất quan trọng, vì trong hệ thống không dùng thiết bị đo tốc độ trục động cơ, tín hiệu đo lường chỉ gồm dòng điện hai pha của động cơ và giá trị tức thời của điện áp mạch một chiều. Hình 2.14: Hình sao điện áp nghịch lưu Chức năng chính của mô hình là tính ra được giá trị chính xác của từ thông stato trong mỗi chu kỳ điều khiển: (2.17) Vector điện áp stato được tính toán từ giá trị điện áp một chiều và trạng thái tức thời của các khóa chuyển mạch S và điện trở stato Rs được nhận dạng bởi mô hình. Mômen động cơ được tính bằng tích vector giữa từ thông stato và dòng điện stato. Hình 2.15: Điều khiển mômen có trễ 2.2.2.2. Quá trình năng lượng trong hệ thống Ta nhận thấy mômen cản của mỗi động cơ bao gồm hai thành phần: mômen do lực ma sát Mms và mômen do lực kéo của băng giấy Mk. Khi động cơ làm việc ở tốc độ thấp, mômen do ma sát cản trở nhỏ, Mms nhỏ. Hình 2-16: Mối quan hệ giữa các mômen Trong khi đó, dây chuyền xeo gồm một hệ thống động cơ, động cơ cuối dây chuyền (chính xác hơn là động cơ cuối mỗi nhóm truyền động) đóng vai trò truyền động chính. Do đó, động cơ ở cuối kéo băng giấy. Tốc độ băng giấy lúc này cùng chiều quay và có xu hướng lớn hơn tốc độ dài của các động cơ đầu và giữa. Mômen cản cùng chiều với tốc độ quay. Dựa vào nhận định trên, ta có thể kết luận các động cơ ở đầu và giữa nhóm hoạt động ở chế độ hãm tái sinh, có nghĩa là một máy phát trả năng lượng về lưới. Các động cơ ở cuối nhóm làm việc ở chế độ động cơ nhận năng lượng từ DC bus. Trong trường hợp này, tuỳ thuộc vào tương quan năng lượng của các động cơ đầu giữa với với các động cơ cuối nhóm mà bộ chỉnh lưu tích cực hoạt động ở chế độ chỉnh lưu hay nghịch lưu. Giả sử, năng lượng do các động cơ ở đầu nhóm trả vào DC bus là: Et = Et1 + Et2 + … . Năng lượng các động cơ cuối nhóm nhận vào là: Er = Er1 + Er2 + … . Khi đó, nếu E = Et – Er > 0 thì có nghĩa năng lượng trong DC bus có xu hướng tăng lên, bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu để truyền năng lượng trả về lưới, ổn định điện áp một chiều. Tốc độ của động cơ tăng dần, sau một thời gian đạt được tốc độ ổn định (tốc độ đặt). Do mômen ma sát tỷ lệ với tốc độ nên mômen Mms lớn hơn Mk hiều lần. Các động cơ hoạt động đưới một tải trọng nhất định. Điều này có nghĩa các động cơ đều nhận năng lượng từ lưới. Lúc này của DC bus giảm nên điện áp một chiều có xu hướng giảm xuống, mạch vòng điều chỉnh điện áp làm việc và điều chỉnh thay đổi giá trị đặt dòng điện, van công suất mở nhiều hơn và làm tăng công suất tác dụng của dòng năng lượng từ lưới chảy vào để giữ cho Udc không đổi. Hình 2-17: Quá trình trao đổi năng lượng khi các động cơ đều tiêu thụ năng lượng. Khi có sự cố, một trong các động cơ trong hệ thống bị kẹt. Lúc đó, mômen cấp cho động cơ tăng lên để thắng lực cản lớn. Tốc độ động cơ giảm đồng nghĩa với việc động cơ hãm tái sinh trả năng lượng về DC bus. Tuy nhiên, năng lượng này không đủ cung cấp cho các động cơ trong dây chuyền nên bộ chỉnh lưu tích cực vẫn mở để dòng năng lượng chảy từ lưới vào DC bus. Hình 2-18: Quá trình trao đổi năng lượng cục bộ Hình 2-19: Quá trình trao đổi năng lượng trong trường hợp năng lượng trả về lưới Trong trường hợp xấu nhất, đây chuyền phải tạm thời ngưng hoạt động thì các động cơ sẽ hãm dừng và trong quá trình này thì năng lượng cơ tích luỹ trong các động cơ sẽ chuyển thành năng lượng điện trả về DC bus. Lúc đó, bộ chỉnh lưu tích cực làm việc như một bộ nghịch lưu tạo ra một dòng năng lượng chảy từ DC bus trả về lưới. Bộ điều khiển lập trình AC 80. Trong hệ truyền động dây chuyền xeo giấy, phần quan trọng nhất là bộ điều khiển cho các bộ biến tần. Đây là trung tâm thu thập, xử lý đồng thời phát đi các tín hiệu điều khiển hệ thống. AC 80 là một bộ điều khiển ứng dụng lập trình được sử dụng cho truyền động. Phần cơ khí có thiết kế giống bộ AC 70 nhưng phần điện được nâng cấp để thực thêm một số chức năng khác. Cấu trúc bộ điều khiển: Bộ nhớ : Cung cấp 500 kB flash PROM và 256 kB RAM cho các ứng dụng của người sử dụng. Phần mềm hệ thống được lưu giữ trong 1024 kB flash PROM. Bộ vi xử lý PM825 phát triển từ bộ vi xử lý MC68360 tốc độ 25 MHz và chế độ 16 bit. Trong PM825 có một đồng hồ thời gian thực và một bộ nhớ được nuôi bởi một acquy trong thời gian tối đa là 270 ngày. Đầu vào/ra : AC 80 có các đầu vào/ra kết nối với máy tính, Panel và biến tần ACS 600. AC 80 có tích hợp chức năng chuẩn đoán, giám sát hoạt động hệ thống và thông báo lỗi. Chức năng giám sát bao gồm : cảnh báo, quản lý Bus, kiểm tra bộ nhớ và điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp. Các lỗi được xác định sẽ được hiển thị trên các đèn LED của modul PM825. Nguồn cung cấp cho AC 80 có thể là nguồn đơn hay có nguồn dự phòng 24 VDC. Giá trị điện áp dao động quanh giá trị lớn nhất +24 VDC là 19.2 VDC dến 30 VDC. PM825 sử dụng nguồn đơn một chiều + 5V. Để cấp điện cho AC 80 người ta sử dụng Electrical ModulBus. Bảng2.3: Giới thiệu các thiết bị kết nối với AC 80. Tên liên kết Thiết bị kết nôí Loại cáp Tín hiệu Chú thích Nguồn cấp Nguồn cấp 0.2–2.5 mm2 +24 VDC Có dự phòng Ac quy Ac quy 3.6V,900mAh 14x25mm AF 100 AF 100 FieldBus Dây xuắn đôi có bảo vệ Dài tối đa 750m Có lựa chọn dự phòng Cổng dịch vụ định cấu hình và bảo dưỡng RS - 232 Tốc độ tối đa 20 kbit/s Panel/Máy in GOP, CDP Máy in RS - 485 I/O đặc biệt NBIO- 31,DSU Cáp quang Liên kết DDCS Phần mềm cung cấp cho AC 80 được chia làm hai loại: Phần mềm AC 80 (chương trình CPU và chương trình NCB) và phần mềm AC 80 hỗ trợ máy tính. Trong đó, Các chương trình hệ thống CPU bao gồm: chương trình khởi động (boot program), phần mềm cơ bản và chương trình ứng dụng. Chương trình hệ thống NCB gồm chương trình khởi động AMC, NCBOS và bảng AMC của AC 80. Phần mềm AC 80 hỗ trợ máy tính phân chia thành hỗ trợ CPU và hỗ trợ NCB. Trong chương 2, chúng ta đã nghiên cứu các hệ truyền động áp dụng cho dây chuyền xeo giấy: hệ truyền động một chiều và hệ truyền động xoay chiều. Trên cơ sở trình bày, phân tích ta đã lựa chọn được hệ truyền động có nhiều ưu điểm. Nhằm hiểu rõ hơn, trong phần tiếp theo chúng ta tiếp tục nghiên cứu chi tiết hệ truyền động xoay chiều với bộ chỉnh lưu tích cực PWM. Chương III nghiên cứu bộ chỉnh lưu tích cực trong hệ truyền động xoay chiều 3.1. Bộ chỉnh lưu tích cực Trong chương 2 chúng ta đã nghiên cứu về hệ truyền động dây chuyền xeo giấy. Quá trình nghiên cứu có đề cập đến yêu cầu tạo ra một DC bus có điện áp ổn định và chất lượng cao. Để thực hiện được yêu cầu này, chúng ta tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu bộ chỉnh lưu tích cực PWM. 3.1.1. Giới thiệu chung Quá trình biến đổi năng lượng sử dụng chỉnh lưu đã được áp dụng vài thập niên qua. Trong hệ thống điện tử công suất, cụ thể là chỉnh lưu Diode và Thyristor được ứng dụng khá phổ biến như là giao diện giữa tải một chiều và lưới điện xoay chiều. Hình 3-1: Bộ chỉnh lưu Diode Các bộ chỉnh lưu là những phần tử phi tuyến, chính vì vậy tạo ra các sóng hài dòng điện trong lưới điện xoay chiều. Dòng điện nguồn nhấp nhô lớn, dẫn đến hệ số công suất thấp, gây ra một số vấn đề trong hệ thống phân phối điện như: Méo điện áp và tương tác điện từ (EMI). Tăng công suất biểu kiến của các thiết bị trong hệ thống như: máy phát, máy biến thế, đường truyền… Trong lĩnh vực điều chỉnh tốc độ truyền động xoay chiều, người ta nhận thấy bộ biến đổi AC/DC ba pha sẽ thay thế chỉnh lưu Diode. Kết quả là sơ đồ bao gồm hai bộ biến đổi PWM như hình 3-2. Bộ biến đổi phía nguồn hoạt động như bộ chỉnh lưu với dòng năng lượng thuận và như bộ biến tần với dòng năng lượng ngược. Hình 3-2: Bộ biến đổi AC/DC/AC Thảo luận sâu hơn, người ta cho rằng dòng năng lượng thuận tạo nên chế độ hoạt động cơ bản của bộ biến đổi phía nguồn gọi là chỉnh lưu PWM. Điện áp xoay chiều phía nguồn của chỉnh lưu PWM có thể điều chỉnh theo biên độ và góc pha để có được dòng nguồn hình sin với hệ số công suất bằng 1. Mặc dù hệ thống Rectifier/Inverter PWM có giá thành cao, điều khiển phức tạp, sơ đồ lý tưởng hoạt động cả bốn góc phần tư. Hơn nữa, chỉnh lưu PWM tạo ra DC bus ổn định và có thể hoạt động như bộ điều hoà nguồn điện tích cực (ALC), bù nhiễu và công suất phản kháng ở những điểm chồng chéo nhau trong mạng phân phối. Tuy nhiên, việc giảm giá thành của bộ chỉnh lưu PWM thực sự cần thiết trong việc cạnh tranh với các bộ chỉnh lưu khác. Giá thành của thiết bị chuyển mạch công suất (như IGBT) và các bộ xử lý tín hiệu số (DSP) đang có xu hướng giảm có thể giảm hơn nữa bằng cách loại đi một số cảm biến. Điều khiển không cảm biến (sensorless control) đem lại một số ưu điểm như: tăng độ tin cậy, giảm giá thành lắp đặt. Trong phần tiếp theo ta sẽ nghiên cứu, tìm hiểu các bộ chỉnh lưu. Trên cơ sở đó lựa chọn ra bộ chỉnh lưu thích hợp nhất. 3.1.2. Các sơ đồ chỉnh lưu Bộ biến tần nguồn áp với chỉnh lưu Diode là một cấu trúc phổ biến được sử dụng trong truyền động xoay chiều hiện đại có tốc độ thay đổi (Hình 3-1). Bộ chỉnh lưu Diode không điều khiển có ưu điểm: đơn giản, giá thành thấp. Tuy nhiên, nó chỉ cho phép dòng năng lượng truyền theo một chiều duy nhất. Do đó, năng lượng phản hồi từ động cơ phải tiêu tán trên các điện trở được điều khiển bởi dao cát nối ngang mạch một chiều. Đồng thời mạch đầu vào chỉnh lưu Diode làm giảm hệ số công suất và tăng mức dao động nhấp nhô dòng điện đầu vào. Một hạn chế nữa của bộ chỉnh lưu Diode là điện áp đầu ra động cơ lớn nhất bao giờ cũng nhỏ hơn điện áp nguồn. Các phương trình (3.1) và (3.2) dùng để xác định bậc và biên độ của dòng điện điều hoà gây ra bởi bộ chỉnh lưu 6 Diode. h = 6.k ± 1 ; k = 1, 2, 3… (3.1) (3.2) Các sóng hài có bậc là bội số của tần số cơ bản 50Hz: bậc 5, bậc 7, bậc 11, bậc 13 … có tần số tương ứng: 250, 350, 550 và 650 Hz. Biên độ các sóng hài ứng với một đơn vị của sóng cơ bản là nghịch đảo của bậc sóng hài: 20% ứng với bậc 5, 14,3% ứng với bậc 7, … Các phương trình (3.1) và (3.2) được tính toán từ chuỗi Fourier của dòng điện dạng xung vuông lý tưởng (giả thiết cảm kháng đầu vào là rất lớn). Phương trình (3.1) mô tả chính xác sóng hài. Biên độ thực tế của dòng điều hoà thường khác với mối quan hệ mô tả trong (3.2). Hình dáng của dòng điện xoay chiều phụ thuộc vào cảm kháng đầu vào của bộ biến đổi. Dòng điện nhấp nhô bằng 1/L lần điện áp nhấp nhô. Khi cảm kháng là vô cùng thì dòng nhấp nhô bằng 0. Ngoài chỉnh lưu cầu sáu xung, ta sẽ tìm hiểu một số sơ đồ khác biểu diễn trong hình 3-3. Sơ đồ hình 3-3a là giải pháp đơn giản của loại bộ biến đổi tăng, với khả năng làm tăng điện áp một chiều đầu ra. Đây là đặc điểm quan trọng của bộ biến đổi ASD, cung cấp điện áp lớn nhất ở đầu ra. Hạn chế chủ yếu của phương pháp là gây sức ép lên các thiết bị của hệ, méo tần thấp của dòng đầu vào. Sơ đồ hình 3-3b và hình 3-3c sử dụng các module chỉnh lưu PWM với tỷ lệ dòng rất nhỏ. Vì vậy, chúng có khả năng cung cấp chế độ phanh hãm tái sinh (b) và lọc tích cực (c) với giá thành hạ. hình 3-3d trình bày bộ biến đổi ba mức, gọi là chỉnh lưu Vienna. Ưu điểm chính của sơ đồ là điện áp chuyển mạch thấp nhưng không phải là chuyển mạch điển hình. hình 3-3e trình bày sơ đồ phổ biến nhất sử dụng trong ASD (Adjustable Speed Drives) , UPS (Uninterrupt Power Supply) và gần đây là chỉnh lưu PWM. Ưu điểm của sơ đồ này là sử dụng module 3 pha giá rẻ có khả năng truyền năng lượng hai chiều. Tuy nhiên, sơ đồ vẫn tồn tại một số nhược điểm như: tỷ lệ dòng điện cao, tổn hao chuyển mạch lớn. c) e) d) b) a) Hình 3-3: Sơ đồ cơ bản của các bộ chỉnh lưu 3 pha Bộ biến đổi tăng áp đơn giản Bộ chỉnh lưu phanh hãm tái sinh dùng Diode Bộ chỉnh lưu Diode với lọc tích cực PWM Chỉnh lưu Vienna Chỉnh lưu đảo chiều PWM (bộ biến đổi hai mức) Đặc điểm của các sơ đồ được so sánh trong Bảng 3-1 Điều chỉnh điện áp DC đầu ra Mðo sóng hài bậc thấp dòng nguồn Dạng dòng điện gần hình sin Chỉnh hệ số công suất Dòng năng lượng hai chiều Ghi chú Chỉnh lưu Diode - - - - - Hình a + - - + - Hình b - - - - + Hình c - + + + - UPF Hình d + + + + - UPF Hình e + + + + + UPF Bảng 3-1: Đặc điểm của các bộ chỉnh lưu 3 pha Ta nhận thấy sơ đồ cuối cùng là triển vọng nhất. Vì vậy, đó là sự lựa chọn của nhiều tập đoàn như: ABB, SIEMENS… Hình 3-4: Hệ thống phân phối năng lượng một chiều Trong hệ thống phân phối năng lượng một chiều hình 3-4 hay bộ biến đổi AC/DC/AC hình 3-2, năng lượng xoay chiều đầu tiên được biến thành một chiều nhờ chỉnh lưu PWM ba pha. Bộ chỉnh lưu này cung cấp hệ số công suất đơn vị và ít sóng hài dòng điện. Các bộ biến đổi nối với DC bus để cung cấp sự biến đổi mong muốn cho các phụ tải: điều chỉnh tốc độ truyền động cho động cơ cảm ứng (IM) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), bộ biến đổi DC/DC, vận hành đa truyền động … Bộ biến đổi AC/DC/AC (hình 3-2) được hãng ABB ứng dụng trong biến tần ACS 611/ACS617 (15kW – 1,12 MW) truyền động bốn góc phần tư. Bộ biến đổi nguồn giống như hệ biến tần ACS 600 - động cơ ngoại trừ phần mềm điều khiển. Điều này tương tự như giải pháp của SIEMENS trong Simovert Masterdrive (2,2 kW – 2,3 MW). Hơn nữa, bộ biến đổi AC/DC/AC còn cho phép: Động cơ có thể làm việc ở tốc độ cao hơn mà không cần giảm từ trường (bằng cách duy trì điện áp DC bus trên điện áp đỉnh nguồn cấp). Giảm tính lý thuyết bằng một trong ba phương pháp điện áp được so sánh với cấu hình phù hợp nhờ vào điều khiển tức thời bộ chỉnh lưu – biến tần. Đáp ứng của bộ điều khiển điện áp có thể được cải thiện nhờ vào tín hiệu fed-forward từ phụ tải, tạo khả năng tối thiểu hoá dung kháng mạch một chiều trong khi vẫn duy trì điện áp một chiều trong khoảng cho phép dưới điều kiện nhảy cấp của phụ tải. Một giải pháp khác được sử dụng trong công nghiệp giới thiệu trong hình 3-4 giống như vận hành đa truyền động.ABB giới thiệu bộ biến đổi tích cực ACA 635 (250 kW – 2,5 MW) và Simovert Masterdrive của SIEMENS có dải công suất là 7,5 kW – 1,5 MW. 3.2. Nguyên tắc hoạt động của bộ chỉnh lưu PWM 3.2.1. Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu Hình 3-5b trình bày một pha đại diện của mạch chỉnh lưu hình 3-5a. L và R đặc trưng cho điện kháng của nguồn. là điện áp nguồn, là điện áp diều chế của bộ biến đổi PWM, có thể điều chỉnh từ phía một chiều. Biên độ của phụ thuộc vào chỉ số điều biến và mức điện áp một chiều. Hình 3-5: Sơ đồ cụ thể của bộ chỉnh lưu ba pha PWM với dòng năng lượng hai chiều a. Sơ đồ mạch chính b. Mạch chỉnh lưu một pha Phần cảm ứng nối giữa đầu và bộ chỉnh lưu với nguồn xoay chiều là phần hoàn chỉnh mạch. Nó mang đặc tính nguồn dòng của mạch đầu vào và tạo đặc tính tăng áp của bộ biến đổi. Dòng điện nguồn được điều chỉnh bởi điện áp rơi trên cuộn cảm L, nối giữa hai nguồn điện áp (nguồn và bộ biến đổi). Có nghĩa là điện áp cảm ứng cân bằng sai lệch giữa điện áp nguồn và điện áp điều chế của bộ biến đổi . Khi ta điều khiển góc pha và biên độ của điện áp , có nghĩa là đã điều khiển gián tiếp pha và biên độ dòng điện nguồn . Trong trường hợp này, giá trị trung bình và dấu của dòng điện một chiều dùng để điều khiển tương ứng cho công suất tác dụng truyền qua bộ biến đổi. Công suất phản kháng có thể được điều khiển một cách độc lập theo sự dịch chuyển sóng hài dòng điện cơ bản và điện áp . Hình 3-6 trình bày giản đồ pha chung cả chỉnh lưu và chế độ tái sinh khi hệ số công suất bằng 1. Hình 3-6 trình bày sơ đồ pha chung cả chỉnh lưu và nghịch lưu (tái sinh) khi hệ số công suất bằng 1. Hình vẽ cho thấy vector điện áp . lớn hơn trong giai đoạn tái sinh (tới 3%) so với giai đoạn chỉnh lưu. Hình 3-6: Sơ đồ pha của chỉnh lưu PWM Sơ đồ pha chung b. Chỉnh lưu với cosj =1 c. Nghịch lưu với cosj = -1 Điều này có nghĩa là hai chế độ không đối xứng. Mạch chính của bộ biến đổi cầu Hình 3-5a bao gồm 3 chân với transistor IGBT hay GTO. Điện áp điều chế của bộ biến đổi có thể được biểu diễn theo 8 trạng thái chuyển mạch, mô tả bởi phương trình: với k = 0…5 Hình 3-7: Các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi cầu PWM 3.2.2. Mô tả toán học chỉnh lưu PWM Mối quan hệ cơ bản giữa các vector chỉnh lưu PWM thể hiện trong hình 3-8. Hình 3-8: Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lưu PWM Mô tả dòng điện và điện áp nguồn Dòng điện và điện áp nguồn 3 pha: ua = Em.cos (3.3a) ub = Em.cos (3.3b) uc = Em.cos (3.3c) ia = Em.cos (3.4a) ib = Em.cos (3.4b) ic = Em.cos (3.4c) Trong đó: Em(Im) và là biên độ điện áp (dòng điện) pha và tần số góc tương ứng, với giả thiết: ia + ia + ia = 0 (3.5) Chúng ta có thể chuyển phương trình (3.3) sang hệ . Khi đó, điện áp đầu vào trong hệ toạ độ được biểu diễn bởi: (3.6) (3.7) Và điện áp đầu vào trong hệ toạ độ đồng bộ d-q (hình 3-8) được biểu diễn: (3.8) b. Mô tả điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM Điện áp dây đầu vào của chỉnh lưu PWM có thể mô tả với sự trợ giúp của hình 3-7 như sau: uSab = (Sa - Sb ).udc (3.9a) uSbc = (Sb – Sc ).udc (3.9b) uSca = (Sc – Sa ).udc (3.9c) điện áp pha được tính: uSa = fa.udc (3.10a) uSb = fb.udc (3.10b) uSc = fc.udc (3.10c) Trong đó: (3.11a) (3.11b) (3.11c) fa, fb, fc nhận các giá trị: 0 ; ± 1/3 ; ± 2/3. c. Mô tả chỉnh lưu PWM Mô hình chỉnh lưu PWM ba pha. Phương trình điện áp cân bằng 3 pha không trung tính được viết theo hình 3-6b. (3.12) (3.13) (3.14) Ngoài ra, dòng điện : (3.15) Kết hợp các phương trình (3.10, 3.11, 3.14, 3.15) ta thu được sơ đồ khối 3 pha như hình 3-11. Hình 3-9: Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM nguồn dòng trong hệ toạ độ tự nhiên d. Mô hình chỉnh lưu PWM trong khung toạ độ tĩnh . Phương trình điện áp trong khung toạ độ tĩnh tìm được bằng cách áp dụng phương trình: (3.16) Vào các phương trình (3.14) và (3.15): (3.17) Và (3.18) Trong đó: ; Sơ đồ khối của mô hình biểu diễn trong hình 3-10 Hình 3-10: Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM nguồn áp trong khung toạ độ Mô hình chỉnh lưu PWM trong khung toạ độ quay d-q Các phương trình trong hệ toạ độ d-q có được bằng cách biến đổi phương trình: (3.19) Ta được: (3.20a) (3.20b) (3.21) Với: Sơ đồ khối trong hệ toạ độ d-q: Hình 3- 11: Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM nguồn áp trong hệ toạ độ d-q Trong thực tế, có thể bỏ qua điện trở R, bởi vì điện áp rơi trên R nhỏ hơn nhiều so với điện áp rơi trên cuộn dây. Các phương trình (3.15), (3.17), (3.20) có thể viết đơn giản: (3.22) (3.23) (3.24) (3.25a) (3.25b) Công suất tác dụng và công suất phản kháng cấp từ nguồn xác định bởi: (3.26) (3.27) Trong hệ toạ độ d-q: (3.28) (3.29) Nếu giả sử hệ số công suất bằng 1 ta có: ILq = 0 ; uLq = 0 ; ; ; q = 0 Hình 3-12: Dòng công suất trong bộ biến đổi AC/DC hai chiều phụ thuộc vào hướng 3.2.3. Đặc tính và giới hạn của trạng thái ổn định Quá trình làm việc của chỉnh lưu PWM yêu cầu một giá trị điện áp một chiều nhỏ nhất. Thông thường, có thể xác định bằng điện áp dây lớn nhất: Vdcmin > VLN(rms)** = 2,45*VLN(rms) (3.30) Định nghĩa này là đúng nhưng không áp dụng cho mọi trường hợp. Phương trình (3.25) có thể chuyển sang dạng vector trong khung toạ độ d-q bằng cách xác định đạo hàm dòng điện: (3.31) Phương trình trên định nghĩa hướng và tỷ lệ vector dòng điện dịch chuyển. Sáu vector điện áp đầu vào (U1 - 6) của chỉnh lưu PWM quay cùng chiều kim đồng hồ trong khung toạ độ đồng bộ d-q. Với các vector uo, u1, … u6 , u7, đạo hàm dòng điện sẽ là: upo, up1,… up6,up7 như hình 3-13. Hình 3-13: Vị trí tức thời của các vector Hình 3-14: Giới hạn hoạt động của chỉnh lưu PWM Có thể điều khiển hoàn toàn dòng điện khi dòng điện nằm trong khoảng sai số nhất định. Hình 3-13 và 3-14 cho thấy bất kỳ vector nào cũng có thể đẩy vector dòng điện vào trong vùng sai số khi góc giữa up1 và up2 là . Kết quả là các vector up1, up2, u1 và u2 tạo thành một tam giác đều với , trong đó là một đoạn thẳng. Vì vậy, từ quan hệ lượng giác đơn giản, có thể xác định điều kiện giới hạn: (3.32) Sau khi biến đổi, với giả thiết: ; ; Chúng ta nhận được biểu thức điện áp: (3.33) Biểu thức trên chỉ ra mối quan hệ giữa điện áp nguồn và điện áp một chiều đầu ra, dòng điện (tải) và cảm kháng .Điều đó có nghĩa tổng véc tơ uLdq- jwLiLdq không nên vượt quá vùng điều biến tuyến tính, ví dụ như vòng tròn nội tiếp trong lục giác đều. Cuộn cảm phẩi được lựa chọn kỹ bởi cảm kháng thấp sẽ làm cho dòng điện nhấp nhô lớn và làm cho việc thiết kế phụ thuộc nhiều vào trở kháng đường dây. Cảm kháng có giá trị lớn làm giảm độ nhấp nhô dòng điện, nhưng đồng thời cũng làm giảm giới hạn làm việc của chỉnh lưu. Điện áp rơi trên cuộn cảm có ảnh hưởng tới dòng điện nguồn. Điện áp rơi này được điều chỉnh bởi điện áp đầu vào của chỉnh lưu PWM nhưng giá trị lớn nhất được giới hạn bởi điện áp một chiều. Kết quả là, dòng điện lớn (công suất lớn) qua cảm kháng cũng cần điện áp một chiều lớn hay cảm kháng nhỏ. Vì vậy, sau khi biến đổi phương trình (3.33) độ tự cảm lớn nhất xác định: (3.34) 3.2.4. Đánh giá điện áp và từ thông ảo Đánh giá điện áp nguồn Một yêu cầu quan trọng đối với việc đánh giá điện áp là cần đánh giá một cách chính xác dưới điều kiện không cân bằng và méo điện áp do sóng hài tồn tại trước. Không chỉ cần đánh giá đúng các thành phần cơ bản mà các thành phần sóng hài và sự không cân bằng điện áp cũng rất cần thiết. Điều này làm tăng hệ số công suất tổng. Có thể tính toán điện áp trên cảm kháng bằng cách lấy vi phân dòng điện. Có thể đánh giá điện áp nguồn bằng cách thêm lượng đặt của điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu để tính toán điện áp rơi trên cuộn cảm. Tuy nhiên, đường lối này không có lợi ở chỗ dòng điện được vi phân và các nhiễu của dòng điện sẽ được khuếch đại qua quá trình vi phân đó. Nhằm tránh điều này, người ta áp dụng việc đánh giá điện áp dựa trên việc đánh giá công suất. Trong đó, dòng điện được trích mẫu và công suất được đánh giá vài lần trong mỗi trạng thái chuyển mạch. Thông thường, điều chế vector không gian (SVM) cho biến tần nguồn áp ba pha, dòng điện xoay chiều được trích mẫu trong suốt trạng thái vector “không” bởi không có nhiễu chuyển mạch và lọc trong phản hồi dòng điện trong mạch vòng điều chỉnh dòng điện.Sử dụng phương trình (3.35) và (3.36) công suất tác dụng và công suất phản kháng được đánh giá trong trường hợp đặc biệt (trạng thái 0) được biểu diễn: (3.35) (3.36) Nên chú ý rằng, trong trường hợp trên chỉ có thể đánh giá công suất phản kháng trong cuộn cảm. Vì vậy, công suất là giá trị một chiều có thể tránh nhiễu dòng vi phân bằng cách sử dụng bộ lọc thông thấp đơn giản. Điều này đảm bảo hiệu suất của bộ đánh giá điện áp. Dựa vào lý thuyết công suất tức thời, điện áp được đánh giá trên cuộn cảm là: (3.37) Trong đó: , là giá trị điện áp ước lượng ba pha trên cuộn cảm L, trong khung toạ độ . Điện áp nguồn được đánh giá uL(est) có thể thu được bằng cách thêm lượng đặt điện áp cảm ứng được ước lượng: (3.38) Đánh giá từ thông ảo Điện áp được đánh giá bởi công suất nguồn trong mối liên hệ với cuộn cảm phía xoay chiều được xem như là động cơ xoay chiều ảo như hình 3-17. Hình 3-15: Hệ chỉnh lưu PWM ba pha với phía xoay chiều xem như động cơ xoay chiều ảo R và L đặc trưng cho trở kháng stato và cảm kháng tản stato của động cơ ảo và điện áp dây: uab, ubc, uca sẽ bị suy giảm do từ thông khe hở không khí ảo. Mạt khác, tích phân điện áp dẫn tới vector từ thông nguồn ảo , trong hệ toạ độ . Hình 3-16: Các khung toạ độ chuẩn và các vector vector từ thông ảo ; vector điện áp nguồn vector điện áp điều chế bộ biến đổi ; vector dòng điện nguồn Tương tự phương trình (3.38), phương trình từ thông ảo có thể được biểu diễn như sau: (3.39) Dựa vào điện áp một chiều Udc và các trạng thái chuyển mạch biến tần: Sa, Sb,Sc, điện áp đầu vào chỉnh lưu được đánh giá như sau: (3.40a) (3.40b) Lúc đó , thành phần từ thông ảo được tính toán từ (3.40) trong khung toạ độ . (3.41a) (3.41b) Các thành phần từ thông ảo được biểu diễn như trong Hình 3-17 Hình 3-17: Sơ đồ khối bộ đánh giá từ thông ảo với bộ lọc bậc một 3.3. Phương pháp điều khiển tựa điện áp nguồn VOC Tương tự phương pháp FOC (Flux Orient Control) dùng cho động cơ cảm ứng, các phương pháp VOC và VFOC dùng cho phía nguồn bộ chỉnh lưu PWM dựa trên việc chuyển đổi giữa khung toạ độ và d – q. Cả hai phương pháp đều đảm bảo đáp ứng tức thời nhanh và hiệu suất tĩnh cao thông qua các mạch vòng điều khiển dòng điện bên trong. Chính vì vậy, cấu hình cuối cùng và các thực hiện hệ thống phụ thuộc vào chất lượng của chiến lược điều khiển dòng điện được áp dụng. Giải pháp đơn giản nhất là điều khiển dòng trễ, cung cấp đáp ứng động nhanh, độ chính xác cao, không bù một chiều và độ nhấp nhô cao. Tuy nhiên, vấn đề chủ yếu của điều điều khiển trễ là tần số chuyển mạch trung bình thay đổi theo dòng điện tải. Điều này tạo ra các mẫu chuyển mạch không đều và ngẫu nhiên. Do đó, gây ra tác động tới các thiết bị chuyển mạch và gây khó khăn trong việc thiết kế bộ lọc đầu vào LC. Vì vậy, một số chiến lược điều khiển được trình bày trong tài liệu để cải thiện quá trình điều khiển dòng điện. Trong số đó, phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất là bộ điều khiển đồng bộ d – q. Trong đó, các dòng điện được điều chỉnh là các đại lượng một chiều (DC) loại trừ trạng thái sai lệch. Thường thì hệ thống điều khiển dử dụng mạch vòng kín điều khiển dòng điện trong hệ toạ độ tham chiếu quay. Sơ đồ VOC được trình bày như Hình 4-1. Đặc điểm nổi bật của bộ điều chỉnh dòng là quá trình xử lý tín hiệu trong hệ toạ độ và d-q. Các giá trị ba pha đo được chuyển thích hợp sang hai pha hệ toạ độ và cuối cùng chuyển sang hệ toạ độ quay theo khối /d-q: (3.42) Hình 3-18: Sơ đồ khối của phương pháp VOC Nhờ chuyển đổi này mà các giá trị điều khiển là tín hiệu một chiều. Một bộ chuyển đổi ngược d-q/ đặt ở đầu ra hệ thống điều khiển và nó đem lại kết quả là tín hiệu đặt bộ chỉnh lưu trong hệ toạ độ tĩnh: (3.43) Với cả hai phép chuyển hệ toạ độ, góc vevtor điện áp định nghĩa như sau: (3.44a) (3.44b) Trong hệ toạ độ d-q tựa điện áp nguồn, vector dòng điện được tách thành hai thành phần vuông góc với nhau: = [, ] (hình 3-19) . Thành phần iLq xác định công suất phản kháng, trong khi iLd xác định công suất tác dụng. Vì vậy, công suất tác dụng và phản kháng có thể điều khiển độc lập nhau. Hệ số công suất bằng 1 khi vector dòng điện nguồn trùng với vector điện áp nguồn (Hình 4-2). Bằng cách đặt trục d của khung toạ độ quay lên vector điện áp ta sẽ thu được một mô hình động học đơn giản. Hình 3-19: Sơ đồ vector của VOC. Chuyển đổi dòng điện nguồn, điện áp nguồn, điện áp đầu vào cầu chỉnh lưu từ hệ toạ độ sang hệ toạ độ d-q. Phương trình điện áp trong hệ toạ độ đồng bộ phù hợp với phương trrình 3.20 như sau: (3.45a) (3.45b) Đối với Hình 4-2 , dòng điện theo trục q = 0 khi hệ số công suất bằng 1, trong khi giá trị đặt dòng iLd được xác định trong bộ điều khiển điện áp một chiều và điều khiển dòng công suất tác dụng giữa nguồn cấp và bus một chiều. Coi R= = 0, các phương trình (4.4a) và (4.4b) rút gọn như sau: (3.46a) (3.46b) Giả sử, dòng điện chiếu lên trục q được điều chỉnh bằng 0, ta thu được phương trình sau: (3.47a) (3.47b) Bởi vì, ở đây là bộ điều chỉnh dòng nên ta dùng loại PI. Tuy nhiên, bộ điều chỉnh dòng PI không đảm bảo quá trình dò, đặ biệt đối với hệ thống kép mô tả bởi phương trình (3.46a) và (3.46b). Vì vậy, đối với các ứng dụng thực hiện cao với sự tự hiệu chỉnh dòng chính xác ở trong trạng thái động, sơ đồ bộ điều chỉnh kép cho chỉnh lưu PWM nên áp dụng như trình bày trong hình 3-20: (3.48a) (3.48b) Trong đó: là các tín hiệu ra của bộ điều chỉnh dòng: (3.49a) (3.49b) Các tín hiệu đầu ra từ bộ điều chỉnh PI, qua chuyển đổi dq/ sử dụng cho việc phát tín hiệu chuyển mạch bằng bộ điều chế vector không gian. Hình 3-20: Điều khiển dòng điện kép của bộ chỉnh lưu PWM Tóm lại, trong chương 3 đã giới thiệu về các sơ đồ chỉnh lưu, phân tích những ưu nhược điểm của các sơ đồ, từ đó lựa chọn sơ đồ tối ưu là bộ chỉnh lưu tích cực. Chúng ta đã tìm hiểu về sơ đồ và những nguyên lý cơ bản về bộ chỉnh lưu tích cực. Đồng thời, giới thiệu về phương pháp điều khiển hoạt động sơ đồ. Tuy nhiên, để chứng tỏ sơ đồ hoạt động hoạt động như thế nào chúng ta cần tiến hành mô phỏng và tìm ra kết quả cần thiết. Đây là nhiệm vụ của chương tiếp theo. Chương IV Quá trình mô phỏng và kết quả Điều khiển bộ chỉnh lưu PWM trên cơ sở phương pháp điều chế vector không gian. Trong sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu PWM ta đã sử dụng các van bán dẫn là IGBT. Ta nhận thấy rằng, qúa trình trao đổi năng lượng giữa nguồn và phụ tải qua bộ chỉnh lưu PWM là hai chiều. Chính vì vậy, để tìm hiểu điều khiển bộ chỉnh lưu PWM bằng phương pháp điều chế vector không gia ta có thể nghiên cứu phương pháp này ứng dụng trong việc điều khiển biến tần. Hình 4-1 trình bày sơ đồ nguyên lý của biến tần bán dẫn cấp cho phụ tải ba pha. Thông thường, các đôi van được điều khiển để đạt được điện áp xoay chiều ba pha với biên độ, tần số và góc pha cho trước. Biến tần được nuôi bởi điện áp một chiều Udc. ở đây, chúng ta chỉ nghiên cứu các loại biến tần hợt động theo kiểu cắt xung với tần số cắt cao. Vì vậy, các van mà biến tần sử dụng là IGBT. Hình 4-1: Sơ đồ nguyên lý của biến tần nguồn áp cấp cho phụ tải ba pha Mỗi pha tải xoay chiều có thể nhận một trong hai trạng thái: 1 (nối với cực “+” của Udc) hoặc 0 (nối với cực “ - ” của Udc). Do có 3 pha nên có 8 khả năng nối các pha của phụ tải với Udc như trong bảng 4.1. Số TT Cuộn dây pha 0 1 2 3 4 5 6 7 Pha a 0 1 1 0 0 0 1 1 Pha b 0 0 1 1 1 0 0 1 Pha c 0 0 0 0 1 1 1 1 Bảng 4.1: Các khả năng nối ba pha với Udc Ta sẽ tìm hiểu kỹ một trong tám khả năng trên, khả năng thứ 4 trong bảng với sơ đồ nối trong hình 4-2a. Ta nhận thấy, với bố trí hình học của ba cuộn dây pha trên một mặt phẳng, tổ hợp này tương đương với trường hợp ta đặt lên ba pha điện áp với modul 2*Udc/3 như trong hình 4-2b. Để tìm điện áp thực sự rơi trên từng pha, ta chỉ việc tìm hình chiếu của vector lên trục của cuộn dây. Hình 4-2: a. Sơ đồ nối ba cuộn dây pha theo trường hợp thứ 4. b. Vector không gian ứng với khả năng thứ 4. Tương tự với trường hợp 4, ta dễ dàng xây dung được vector điện áp tương ứng cho tất cả các trường hợp còn lại (hình 4-3). Các vector chuẩn đó được đánh số , . … như số thứ tự của bảng, cần lưu ý hai trường hợp đặc biệt có ý nghĩa quan trọng: cả ba cuộn dây pha nối với cực “-” cả ba cuộn dây pha nối với cực “+” của Udc. Hình 4-3: Tám vector chuẩn do ba cặp van bán dẫn của biến tần tạo nên các góc phần tư: Q1 … Q4 ; các góc phần sáu: S1 … S6 Hình 4-3 cho thấy rõ ràng vị trí của từng vector chuẩn trong hệ toạ độ Ta cần nhớ rằng, modul của từng vector đó luôn có giá trị 2*Udc/3. Ngoài qui ước thông thường về các góc phần tư Q1 … Q4 phân chia bởi hai trục của hệ toạ độ, các vector chuẩn chia toàn bộ không gian thành các góc phần sáu S1 … S6. Chỉ bằng tám vector chuẩn, ta phải tạo nên điện áp tải với biên độ, góc pha bất kỳ theo đúng yêu cầu. Nguyên lý của phương pháp điều chế vector không gian Giả sử ta cần thực hiện vector bất kỳ như trong hình 4-4. Vector đó có thể nằm ở góc phần sáu bất kỳ nào đó, trong ví du này, nằm ở S1. có thể được tách thành tổng của hai vector , tựa theo hướng của hai vector chuẩn , , Các chỉ số t và p có ý nghĩa là vector trái và vector phải. Ta đã biết rằng điện áp phải được tính đổi thành thời gian đóng cắt các van trong phạm ci một chu kỳ cắt xung nào đó. Giả sử rằng, toàn bộ chu kỳ đó là có ích, được phép dùng để thực hiện vector, lúc này modul tối đa cũng không thể vượt qua 2*Udc/3. Do đó, ta có công thức sau: (4.1) Nếu thời gian tối đa (chu kỳ trích mẫu) là T, ta có thể rút ra một số nhận xét đầu tiên: 1. là tổng vector của hai vector biên ,: = + 2. Hai vector biên có thể thực hiện bằng cách thực hiện (cho ) và (cho ) trong hai khoảng thời gian sau: ; (4.2) Hình 4-4: Thực hiện vector bất kỳ bằng 2 vector điện áp chuẩn Trong phần đầu ta đã có các mẫu xung cho , (Bảng 4.1), vấn đề còn lại là phải tính được các khoảng thời gian Tp, Tt . Từ công thức (4.2) ta có thể rút ra nhận xét tiếp sau: Để tính được Tp, Tt ta phải biết modul của các vector biên phải và biên trái . Lúc này xuất hiện hai vấn đề: Ta nói đến thời gian thực hiện các vector biên phải Tp và biên trái Tt . Vậy thì trong khoảng thời gian còn lại T - ( Tp +Tt)biến tần làm gì ? Ta đã biết rằng thay vì thực hiện , ta có thể thực hiện trong thời gian Tp() và trong thời gian Tt(). Tuy vậy ta chưa đề cập đến câu hỏi: Vector nào được thực hiện trước, vector nào sau ? Ta tìm ngay được câu trả lời cho câu hỏi một: trong khoảng thời gian T - ( Tp +Tt) còn lại, biến tần thực hiện một trong hai vector có modul bằng không: hoặc . Bằng cách đó, trên thực tế ta đã thực hiện phép cộng vector dưới đây: = ++() = (4.3) Câu hỏi có tính tổng kết lúc này là: trình tự thực hiện ba vector , và () ? Để thấy rõ hơn ta hãy tách riêng mẫu xung của bốn vector kể trên ra khỏi bảng 4.1 và viết lại trong bảng 4.2 như sau: Thông qua bảng ta có nhận xét: trình tự Bảng 4.2: Mẫu xung tách riêng a 0 1 1 1 b 0 0 1 1 c 0 0 0 1 thực hiện có lợi nhất sẽ là: trong phạm vi một chu kỳ, các cặp van ít phải chuyển mạch nhất, cụ thể là mỗi cặp sẽ chỉ phải chuyển mạch một lần. Nếu như trạng thái cuối cùng là trình tự thực hiện là: ->-> Nếu như trạng thái cuối cùng là trình tự thực hiện là: ->-> Bằng phương pháp thực hiện điện áp như vậy, ta sẽ gây tổn hao đóng ngắt các van của biến tần ở mức ít nhất. Nếu ta vẽ ghép tượng trưng hai chu kỳ nối tiếp nhau thuộc góc phần sáu thứ nhất S1 trong hình 4-5, ta thu được hình ảnh quen thuộc của phương pháp điều chế độ rộng xung thực hiện bằng kỹ thuật tương tự. Hình 4-5: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần sáu thứ nhất Tới đây, ta đã làm quen với quá trình thực hiện vector điện áp ở vị trí bất kỳ trong phạm vi S1. Trong tất cả các góc phần sáu còn lại S2… S6, cách thực hiện là giống hệt S1. Việc tách vector điện áp thành hai vector biên có hướng như hai vector chuẩn kế bên với , dường như cho phép thực hiện ở mọi góc độ của không gian. Điều này thực ra không đúng, còn nhiều hạn chế không cho phép tận dụng 100% khả năng tối đa. Cách tính và thực hiện thời gian đóng ngắt van bán dẫn của biến tần Tóm lại, để thực hiện nguyên lý điều chế vector không gian ta phải trả lời hai câu hỏi : các van đó được chuyển mạch như thế nào và trạng thái đó tồn tại trong thời gian bao lâu ?, nếu modul và góc pha của vector điện áp là cho trước. Bằng các thông tin về góc pha cũng như vị trí (góc phần tư, góc phần sáu) của vector điện áp, ta đã có thể trả lời câu hỏi đầu tiên với sự giúp đỡ của mục trước. Để trả lời cho câu hỏi sau ta sẽ tiếp tục tìm hiểu phần này. Các công thức (4.2), (4.3) đã cho thấy: việc tính toán thời gian hoàn toàn phụ thuộc vào thông tin về modul của các vector ,. Vector điện áp thường được cho biết trước dưới một trong hai dạng sau: Hai thành phần một chiều usd, usq trên hệ toạ độ từ thông rotor. Góc pha gồm có góc cộng với góc riêng của (so với trục d) theo công thức sau: (4.4) Hai thành phần hình sin , . ở dạng này, thông tin về góc pha tồn tại không tường minh mà ẩn trong , . Vì lý do đó cũng tồn tại hai phương pháp tính modul của , như sau: Phương pháp 1: Trên cơ sở công thức (4.4) ta tính được và do đó tính được . Modul của các vector biên phải, biên trái sẽ có giá trị như sau: ; (4.5) Modul của trong (4.5) được tính như sau: (4.6) S1 Q1 S2 Q1 Q2 S3 Q2 S4 Q3 S5 Q3 Q4 S6 Q4 Bảng 4.3: Modul của các vector biên trái, biên phải tính bằng các thành phần điện áp , Phương pháp 2: Các vector biên phải, biên trái được tính trực tiếp từ , theo công thức sau: ; (4.7a,b) Cần chú ý: phương pháp 1 với các công thức (4.5). có hiệu lực trong toàn bộ không gian vector. Ngược lại, công thức (4.7a,b) chỉ có giá trị đối với S1. Theo phương pháp 2, ta sẽ phải tuỳ theo từng góc phần tư và góc phần sáu cu thể mà áp dụng các công thức thuộc bảng 4.3. Ta nhận thấy, nếu sử dụng phương pháp 2 tất cả chỉ quy tụ về chỉ còn ba công thức sau: a = ; b = ; c = (4.8a,b,c) Trong ba công thức trên đều không có chứa phép chia cũng như phép tính lượng giác nên có lợi về thời gian tính toán. Vấn đề tồn tại là phải biết được nằm ở góc phần tư, góc phần sáu nào của không gian vector để lựa chọn đúng công thức. Đây là công việc rất đơn giản, ta có thể tìm ra bằng một số lập luận sau: Bằng việc xét dấu của , ta dễ dàng nhận biết vector nằm ở góc phần tư thứ mấy. Biểu thức b như trong (4.8b) sẽ đổi dấu mỗi khi vector đi qua ranh giới giữa hai góc phần sáu bất kỳ. Sauk hi đã biết góc phần tư, bằng việc xét dấu b ta sẽ biết được góc phần sáu cụ thể thuộc góc phần tư đó. Bảng sau tổng hợp thuật toán tìm thời gian đóng cắt các van. Nhập số liệu và Tính a, ,b và c theo công thức (4.16a, b, c) Sai Đúng Sai Q1 Đúng Q2 Đúng Q3 Sai Q4 b < 0 ? b < 0 ? b < 0 ? b < 0 ? Sai S1 Đúng S2/Q1 Đúng S2/Q2 Sai S3 Sai S4 Đúng S5/Q3 Đúng S5/Q4 Sai S6 Tính thời gian Ta , Tb, Tc Xuất số liệu về thời gian đóng ngắt van Bảng 4.4: Biểu đồ tổng quát của thuật toán ĐCVTKG Phương pháp điều khiển tựa điện áp lưới VOC sử dụng bộ điều biến vector không gian đóng phát xung đóng ngắt các van IGBT của bộ chỉnh lưu PWM. Điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu được nhận dạng và điều khiển bộ điều biến. Mục đích của phương pháp là tạo ra điện áp một chiều Udc ổn định cấp cho các biến tần. Điện áp được nhận dạng và tính toán nhờ vào các mạch vòng điều chỉnh dòng điện, điện áp và các bộ chuyển đổi hệ toạ độ. Đầu vào bộ điều biến là giá trị điện áp , , điện áp hệ toạ độ tĩnh. Mỗi khi điện áp xoay chiều ba pha thay đổi giá trị các pha thì giá trị điện áp , cũng thay đổi. Thông qua bộ điều chế vector không gian xác định được thời gian phát xung, đồng thời tác động mở các van bán dẫn theo trạng thái các pha điện áp đầu vào. Như vậy, đối với biến tần ta dùng bộ điều chế vector không gian để tạo ra điện áp xoay chiều ba pha với biên độ và góc pha yêu cầu, thì với chỉnh lưu PWM nó có nhiệm vụ nhận dạng và điều khiển mở các van bán dẫn theo thứ tự pha điện áp nguồn tạo ra điện áp một chiều ổn định. hình 4-9 thể hiện mối quan hệ giữa các vùng điều biến với trạng thái pha của điện áp nguồn. V VI I II III IV V Hình 4-6: Mối quan hệ giữa vùng điều biến và điện áp nguồn Quá trình mô phỏng và kết quả Quá trình mô phỏng được thực hiện trong môi trường Matlab 6.5. Tất cả các số liệu và kết quả đều được nhập vào và lấy ra bằng các công cụ hỗ trợ của phần mềm. Trước tiên chúng ta xem xét sơ đồ mạch lực: 4.2.1. Sơ đồ mạch lực Hình 4-7: Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu PWM Sơ đồ này được thiết lập với sự trợ giúp của công cụ bổ sung PLECS, trong đó ta ghép nối các phần tử có sẵn như: bộ chỉnh lưu dùng IGBT, nguồn ba pha … Trong phần này chúng ta bố trí đầu vào điều khiển xung và các đầu ra điện áp và dòng điện để biến đổi và cung cấp cho mạch điều khiển. Thông số của các phần tử trong mạch lực như sau: Điện áp nguồn : U = 220 V. Độ tự cảm nguồn : L = 0,001H. Điện trở nguồn : R = 0.01. Điện dung tụ điện : C = 1000. Điện trở tải : R = 500 . Điện trở điều chỉnh : R1 = 100 . 4.2.2. Sơ đồ mạch điều khiển Mạch điều khiển được thiết lập dựa trên công thức tính giá trị điện áp đàu vào bộ chỉnh lưu . Trong mạch ta đã sử dụng các mạch điều khiển dòng điện và điện áp . Các bộ điều chỉnh PI được tổng hợp theo tiêu chuẩn modul tối ưu với mạch vòng điều chỉnh điện áp và theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng với mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Các thông số của bộ điều chỉnh chọn như sau. Điều chỉnh điện áp Điều chỉnh dòng điện id Điều chỉnh dòng điện iq Hình 4-9: Sơ đồ các bộ điều chỉnh PI 4.2.3. Kết quả mô phỏng Quá trình mô phỏng diễn ra trong 6 giây, sau 2s đầu ta thay đổi điện trở tải, đến giây thứ 4 ta thay đổi dấu dòng điện bơm vào tải. Chúng ta sẽ lấy các kết quả như sau: a. Quan hệ dòng điện và điện áp nguồn với: dòng điện bơm vào tải: I = -10 A và điện trở tải: R = 83.3 . Hình 4-10: Quan hệ dòng điện và điện áp I = -10 A và R = 83.3 Nhận xét: Với giá trị dòng điện bơm vào tải là -10A và điện trở tải là 83.3 ta nhận thấy dòng điện và điện áp nguồn trùng pha nhau điều đó chứng tỏ bộ chỉnh lưu tích cực đang làm việc ở chế độ chỉnh lưu, dòng năng lượng chảy từ lưới sang đẫNG Cơ bus. b. Dòng điện và điện áp nguồn quá độ từ R= 500 và I =10 A sang R=83.3 và I=10 A Hình 4-11: Quan hệ dòng điện và điện áp Nhận xét: Khi thay đổi giá trị điện trở của phụ tải ta nhận thấy giá trị dòng điện nguồn thay đổi trong khi quan hệ pha giữa dòng điện và điện áp vẫn giữ nguyên. Tuy nhiên, sơ đồ điều khiển cần một khoảng thời gian quá độ để xác lập lại sự đồng pha. Dòng điện và điện áp nguồn quá độ từ R= 83.3 và I =10 A sang R=83.3 và I=-10 A Hình 4-12: Quan hệ dòng điện và điện áp Nhận xét: Khi thay đổi giá trị và dấu của dòng điện bơm vào tải ta nhận thấy quan hệ pha giữa dòng điện và điện áp sau một thời gian quá độ đã ngược pha nhau. Đây là quá trình nghịch lưu của bộ chỉnh lưu tích cực, năng lượng từ đẫNG Cơ bus trả về lưới. Dòng điện và điện áp nguồn với: dòng điện bơm vào tải I = 10 A và điện trở tải: R = 500 . Hình 4-13: Quan hệ dòng điện và điện áp I = 10 A và R = 500 Nhận xét: Với giá trị dòng điện bơm vào tải là 10A và điện trở tải là 500 ta nhận thấy dòng điện và điện áp nguồn ngược pha nhau, điều đó chứng tỏ bộ chỉnh lưu tích cực đang làm việc ở chế độ nghịch lưu, dòng năng lượng chảy đẫNG Cơ bus về lưới. e. Dạng dòng điện trong khung toạ độ quay Id và Iq: Hình 4-14: Dòng điện Idq Nhận xét: Trong sơ đồ điều khiển bộ chỉnh lưu ta đặt giá trị dòng điện Iq = 0 để giá trị cos = 1, để triệt tiêu dòng năng lượng phản kháng. Kết quả mô phỏng trên ta thấy sau thời gian qúa độ giá trị Iq đạt giá trị xác lập bằng 0. Như vậy, có thể kết luận rằng kết quả mô phỏng hoàn toàn đúng với kết quả mà chúng ta mong muốn. f. Dạng điện áp một chiều sau bộ chỉnh lưu Hình 4-15: Điện áp tải một chiều Udc Nhận xét: Trong chỉnh lưu dùng Diode hay Thyristor điện áp chỉnh lưu một chiều thường có giới hạn thấp, đồng thời chịu nhiễu cao. Trong chỉnh lưu tích cực dùng IGBT, điện áp đầu ra chỉnh lưu đạt được lên tới 620 V. Giá trị xác lập điện áp đạt được khá nhanh chỉ sau khoảng 0,6s. Giá trị điện áp này đạt yêu cầu và có độ nhấp nhô rất thấp. Kết luận: Kết quả mô phỏng cho thấy bộ chỉnh lưu tích cực hoạy động rất ổn định và đáp ứng nhanh. Mỗi khi có sự thay đổi về tải (điện trở, dòng điện) thì các mạch vòng điều chỉnh hoạt động thay đổi chùm xung tác động vào các van làm ổn định điện áp một chiều bằng cách đổi chiều dòng năng lượng. Mục lục Lời nói đầu Kết luận Tài liệu tham khảo