Luận văn Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần tư – động cơ đồng bộ

guyên 54 H×nh 2.15: CÊu tróc ®iÒu khiÓn chØnh l•u PWM theo VOC Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lƣu PWM đƣợc trình bày trên hình 2.16, trong đó lƣợng đặt dòng i*q = 0 và đại lƣợng đặt dòng i * d lấy ra từ bộ điều chỉnh điện áp một chiều. Khi điều khiển vector dòng điện LI trùng với trục d thì ILd = IL và ILq = 0. Do dòng điện id và iq đƣợc ƣớc lƣợng từ ia, ib qua khâu biến đổi tọa độ a, b, c =>  -  => d - q. Góc của vector điện áp UL đƣợc xác định từ (2.19) và (2.20). L L L Ua U dc PI d - q i d_ref T¶i  k    Udc_ref iq iq_ref = 0 PI PI d-q - - §o ®ßng ®iÖn vµ ®¸nh gi¸ ®iÖn ¸p l•íi PWM Sa id Sb Sc Ub Uc ia ib ic ia ib us us  Udc cosUL sinUL iLd iLq iL iL usq usd cosUL sinUL - uL uL Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 55 H×nh 2.16: CÊu tróc c¸c m¹ch vßng ®iÒu khiÓn chØnh l•u PWM theo VOC * dcU dcU dcU PI Bé ®iÒu khiÓn ®iÖn ¸p i* + - PI Bé ®iÒu khiÓn ®iÖn dßng + + du + d +  l  l - + * qi 0 + id PI Bé ®iÒu khiÓn ®iÖn dßng iq qu Ldu sdu 2.7.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC L L L Ua U dc PI d - q i d_ref T¶i  k    Udc_ref iq iq_ref = 0 PI PI d - q - - §o ®ßng ®iÖn vµ ®¸nh gi¸ tõ th«ng ¶o PWM Sa id Sb Sc Ub Uc ia ib ic ia ib us us  Udc cosL sinL iLd iLq iL iL usq usd cosL sinL - L L H×nh 2.17: CÊu tróc c¸c m¹ch vßng ®iÒu khiÓn chØnh l•u PWM theo VFOC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 56 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC đƣợc biểu diễn trên hình 2.17. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC có sự khác biệt so với VOC, trục d ở đây đƣợc chọn trùng với vector L do vậy vector điện áp LU sẽ trùng với trục q, vector dòng điện LI trùng với vector LU nên ILd=0 và ILd=IL. Do vậy mạch vòng điều chỉnh theo VFOC sẽ có lƣợng đặt i*ld = 0 và i * lq lấy từ đầu ra bộ điều chỉnh điện áp một chiều. Nếu nhƣ góc cho biến đổi tọa độ ở VOC là uL, còn ở VFOC lấy L và đƣợc xác định: L L 2 2 L L L L 2 2 L L sin cos                          (2.24) Giá trị L và L đƣợc tính theo 2.21. 2.8. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƢU PWM THEO PHƢƠNG PHÁP TRỰC TIẾP CÔNG SUẤT DPC Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh lƣu PWM đƣợc phát triển từ ý tƣởng điều khiển trực tiếp mô men (DTC) của truyền động động cơ không đồng bộ. Trong đó hai đại lƣợng của DTC là mô men và từ thông đƣợc thay bằng công suất p và q (xem hình 2.18). Ở đây, chọn lƣợng đặt công suất phản kháng q* = 0 tức là cos = 1. Lƣợng đặt công suất tác dụng p* đƣợc lấy từ đầu ra bộ điều chỉnh điện áp một chiều (tỉ lệ với idc) nhân với lƣợng đặt điện áp một chiều Udc. Hai bộ điều chỉnh công suất đƣợc thiết kế dạng khâu đóng cắt có đặc tính từ trễ (đặc tính rơle) trong đó: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 57 * q q * q q * p d * p d d 1 khi q<q H d 0 khi q>q H d 1 khi p<p H d 0 khi p>p H              (2.25) Hd và Hq là băng trễ Biến điều khiển dp và dq đƣợc kết hợp với vị trí vector điện áp L uL L U arctg U     , hoặc vị trí vector từ thông ảo L L L arctg       đƣa vào bảng đóng cắt tƣơng tự nhƣ DTC. Việc phân vùng cho vị trí vector điện áp hoặc vector từ thông ảo có thể chọn 6 hoặc 12 vùng. Nếu phân thành 6 vùng ta có :   n2n 3 (2n 1) 6 6        với n = 1 , 2 …6 T¶i ia Ua L L L pref dq  Ud  UL Chän sector - - PWM §o dßng ®iÖn vµ ®¸nh gi¸ c«ng suÊt tøc thêi, ®iÖn ¸p l•íi hoÆc tõ th«ng ¶o H×nh 2.18: CÊu tróc ®iÒu khiÓn chØnh l•u PWM theo DPC B¶ng chuyÓn m¹ch Udc - PI Sa Udcref Sb Sc ib ic Ub Uc ia ib L dp qref = p q Udc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 58 Và đối với 12 vùng:   nn 2 (n 1) 6 6        với n = 1 , 2 …12 2.8.1. Ƣớc lƣợng công suất theo vector điện áp a b c a b c dc a a b b c c di di di p L i i i U (S i S i S i ) dt dt dt            (2.26)  a cc a dc a a c b c a c a b 1 di di q 3L i i U S i i S (i i ) S (i i ) dt dt3                    (2.27) Giá trị điện áp UL đƣợc tính theo (2.19) TÝnh q, p theo 2.26, 2.27 3 abc S  TÝnh ULtheo 2.28 ib Udc ia Sb Sc q UL UL UL iL iL H×nh 2.19: Kh©u •íc l•îng c«ng suÊt vµ ®iÖn ¸p 2 p Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 59 TÝnh p, q theo (2.30) L p  abc 3 2 TÝnh L, L theo (2.21) ia q ib Udc Sa Sb Sc L  H×nh 2.20: Kh©u •íc l•îng p, q theo vector L iL iL L LL 2 2 L L L L L i iU p1 U qi i i i                 (2.28) Vị trí vector điện áp UL đƣợc tính theo (2.20). Cấu trúc khâu ƣớc lƣợng công suất và điện áp đƣợc trình bày trên hình 2.19. ở đây cần đo ia, ib, ic, Udc và thông tin về trạng thái khóa Sa, Sb, Sc. 2.8.2. Ƣớc lƣợng công suất theo vector từ thông ảo Để tính toán công suất có thể sử dụng các công thức sau (xem 2.29):     * Le L * Lm L p R U .i q I U .i      (2.29) Dự vào (2.29) tính đƣợc công suất tác dụng và phản kháng trong hệ tọa độ  - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 60  theo vector từ thông ảo:     L L L L L L L L p i i q i i                    (2.30) Từ giá trị dòng điện iL và iL, theo (2.21) và (2.22) tính đƣợc L và L. Từ giá trị từ thông L và iL, dựa vào (2.30) tính đƣợc p và q. Cấu trúc khâu ƣớc lƣợng p, q theo đại lƣợng vector từ thông ảo đƣợc trình bày trên hình 2.20. 2.8.3. Đặc điểm cơ bản của điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh lƣu PWM Nhƣ phần trên đã nêu điều khiển DPC đƣợc phát triển từ ý tƣởng của điều khiển trực tiếp mô men động cơ KĐB. Do vậy, về nguyên lý cơ bản để xây dựng bộ điều khiển công suất DPC cũng tƣơng tự nhƣ DTC, có nghĩa là phải thiết kế đƣợc bộ điều khiển đóng cắt có đặc tính từ trễ để gia công tín hiệu dq và dp; Lựa chọn số vùng của vector điện áp từ đó kết hợp với vị trí vector điện áp UL để xây dựng bảng đóng cắt tạo nên vector điều khiển điện áp cho chỉnh lƣu PWM. Tuy nhiên DPC cũng có đặc điểm riêng, không thể áp dụng một cách máy móc điều khiển DTC cho DPC. Cụ thể: Tần số điện áp nguồn là không đổi khác với DTC biến thiên dải rộng. Giá trị tức thời công suất tác dụng và phản kháng bị ảnh hƣởng nhiều vào vị trí vector điện áp và sự thay đổi của dòng điện cả về pha lẫn biên độ. Trên hình 2.21 minh họa cho bốn trƣờng hợp thay đổi giá trị tức thời của p và q khi vector dòng điện biến đổi trong giới hạn L LI I  p < p * với hai vị trí trên hình 2.21b, c p > p * với hai vị trí trên hình 2.21a, d q > q * với hai vị trí trên hình 2.21c, d q < q * với hai vị trí trên hình 2.21a, b Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 với công suất đặt tại điểm M 2.8.4. Bộ điều khiển công suất Bộ điều khiển công suất có đặc tính trễ có ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng của hệ: sóng hài bậc cao dòng điện, tần số đóng cắt, dao động đập mạch công suất và tổn thất công suất. Do vậy, việc lựa chọn tham số băng trễ và cấu trúc điều khiển rất quan trọng. Thông thƣờng bộ điều khiển sử dụng so sánh hai mức hoặc ba mức. Có 3 phƣơng án cho bộ điều khiển trình bày trên hình 2.22a, b, c. Bộ điều khiển hai mức có bốn trạng thái, ví dụ bộ điều chỉnh công suất phản kháng: a) b) c) d)  iL M iL    M V1 V2 V3 V4 uS V6 uL qref pref * Li Li pref qref V1 V2 V3 V4 V6 V5 V5 uS Li * Li uL jLiL jLiL     iL uS uL qref pref V1 V2 V3 V4 V5 V6 jLiL Li * Li * Li iL Li uL jLiL pref qref V1 V2 uS V3 V4 V5 V6 M M H×nh 2.21: Sù biÕn thiªn gi¸ trÞ c«ng suÊt tøc thêi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 62 - Nếu q > Hq thì dq = 1, - Nếu -Hq  q Hq và 0  dt q d thì dq = 0, - Nếu -Hq  q Hq và 0  dt q d thì dq = 1, - Nếu q < Hq thì dq = 0. Đối với bộ điều chỉnh ba mức ta có 6 trạng thái: - Nếu q > Hq thì dq = 1, - Nếu 0  q  Hq và 0  dt q d thì dq = 0, - Nếu 0  q  Hq và 0  dt q d thì dq = 1, - Nếu -Hq  q  0 và 0  dt q d thì dq = -1, - Nếu -Hq  q  0 và 0  dt q d thì dq = 0, p dp a) q dq dp dp p q dq dq q b) c) H×nh 2.22: Bé ®iÒu khiÓn c«ng suÊt a) hai møc, b) hai - ba møc, c) ba møc p Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 63 - Nếu q  -Hq thì dq = -1. Chọn bộ điều khiển so sánh ba mức theo đặc tính tốt hơn hai mức. Tần số đóng cắt phụ thuộc độ rộng băng trễ và số phân vùng vector. 2.8.5. Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt Số phân vùng vector có thể là 6 vùng hoặc 12 vùng và đƣợc biểu diễn nhƣ trên hình 2.23. B.2.1: Bảng đóng cắt cho DPC với bộ điều khiển hai mức, 12 vùng vector dp dq Sector 1 Sector 2 Sector 3 Sector 4 Sector 5 Sector 6 Sector 7 Sector 8 Sector 9 Sector 10 Sector 11 Sector 12 1 0 101 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001 1 110 111 010 000 011 111 001 000 101 111 100 000 0 0 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 1 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 101 100 Có thể mô tả bằng biểu thức toán học cho phân vùng vector:     n n 2n 3 (2n 1) , n=1,2,...,6 6 6 2n 2 (n 1) , n=1,2,...,12 6 6                   (2.31) 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 5   6 4 3 2 1   H×nh 2.23: Ph©n vïng vector cho ph•¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn DPC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 64 Với sự phân vùng là 6 hoặc 12 khi giá trị tức thời giá trị công suất thay đổi sẽ hạn chế số vector sử dụng. Ví dụ trên hình 2.24, chỉ sử dụng đƣợc hai trong số bốn vector cho phép. Điều này gây ra dao động đập mạch công suất, ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng điều khiển. Để cải thiện, có thể thay đổi số mức trong bộ điều khiển đóng cắt hoặc dùng logic mờ. Trên bảng B.2.1 trình bày bảng đóng cắt cho DPC với bộ điều khiển hai mức và 12 phân vùng vector. 2.8.6. Tổ hợp vector điện áp Khi giá trị tức thời công suất biến động ta có sự lựa chọn các vector điện áp. Trên hình 2.24 biểu diễn vector ở vùng thứ k ( k =1 , 2,…6 ) ta có sự lựa chọn ứng với tác động tăng hoặc giảm công suất. Đối với công suất tác dụng tăng khi chọn Uk+2, Uk+3, Uk+1, Uk-2 hoặc U0, U7 giảm khi chọn Uk, Uk-1. Đối với công suất phản kháng khi tăng Uk, Uk+1, Uk+2 giảm Uk-2, Uk-1, Uk+2. Kết quả thống kê trên bảng B.2.2 Bảng B.2.2: Sự tăng giảm p và q theo U Uk-2 Uk-1 Uk Uk+1 Uk+2 Uk+3 U0 U7 q        p        Trên bảng B.2.2, ký hiệu () tăng, () giảm, () tăng lớn và () giảm lớn. Ta thấy sự tăng và giảm lớn đối với q và p chỉ xảy ra ở 2 vector. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 65 Kết luận: Chỉnh lƣu PWM đáp ứng đƣợc yêu cầu trao đổi công suất hai chiều giữa lƣới điện xoay chiều và phía một chiều đầu ra bộ chỉnh lƣu. Ngoài ra sử dụng chỉnh lƣu PWM cho phép giảm đáng kể sóng hài bậc cao trong dòng điện lƣới, tăng hiệu suất, có khả năng điều chỉnh đƣợc hệ số công suất. Nhƣ vậy, việc sử dụng chỉnh lƣu PWM trong bộ biến tần gián tiếp có thể cho phép hệ truyền động điện biến tần-động cơ xoay chiều có thể làm việc ở cả bốn góc phần tƣ của hệ tọa độ đặc tính cơ và nâng cao đáng kể chất lƣợng của hệ truyền động. Vì vậy, mặc dù giá thành của loại biến tần này cao gấp đôi so với biến tần thông thƣờng nhƣng sẽ tiết kiệm đáng kể về điện năng, giảm nhỏ ảnh hƣởng của hệ truyền động đến mạng điện xoay chiều. H×nh 2.24: BiÕn ®æi vector ®iÖn ¸p Uk+1 U pk-2 U pk U pk+1 U pk+2 U pk+3 U p0.7 vector K   Uk+2 Uk+3 Uk Uk-2 Uk-1 Upk-1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 66 Chƣơng 3 XÂY DỰNG CẤU TRÖC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU VÀ CẤU TRÖC HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN 4Q - ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3.1.1. Khái quát chung Động cơ đồng bộ là loại động cơ mà tốc độ quay của rotor luôn bằng tốc độ từ trƣờng quay và có giá trị không đổi khi tần số nguồn cung cấp không đổi. Các động cơ đồng bộ đƣợc chế tạo với dải công suất rất rộng, công suất nhỏ nhƣ chiếc đồng hồ quay định giờ, công suất lớn đạt đến hàng chục nghìn KW. Ngoài ra động cơ đồng bộ còn có một ƣu điểm nổi bật là có thể điều chỉnh đƣợc hệ số công suất của nó bằng việc khống chế cuộn kích từ, có thể làm cho hệ số công suất bằng 1 hoặc có thể phát ra công suất phản kháng ( <00, thực hiện chức năng bù công suất phản kháng). Có thể phân loại động cơ đồng bộ ba pha ra làm hai loại chính: - Động cơ đồng bộ ba pha có rôto kích từ bằng điện với dải công suất từ vài trăm đến vài MW. Cuộn kích từ có thể đƣợc cuốn theo cực ẩn hoặc cực lồi. - Động cơ đồng bộ ba pha có rôto kích từ bằng nam châm vĩnh cửu với dải công suất nhỏ. Tốc độ quay của động cơ đồng bộ ba pha đƣợc tính bằng biểu thức: p s s p f  2  (3-1) trong đó: fs là tần số nguồn cung cấp; Pp là số đôi cực của động cơ. Từ (3-1) ta thấy điều chỉnh tần số nguồn cung cấp sẽ điều chỉnh đƣợc tốc độ động cơ. Do vậy, cấu trúc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ bao giờ cũng có bộ biến đổi tần số. Thiết bị biến tần phối hợp điều tốc động cơ đồng bộ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 67 có thể là bộ biến tần nguồn áp, bộ biến tần nguồn dòng, bộ chuyển đổi chu kỳ sóng (bộ biến tần xoay chiều – xoay chiều) hoặc bộ biến tần điều chỉnh độ rộng xung hình sin SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation). Khi sử dụng điều khiển phối hợp điện áp tần số để điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ thì trở ngại về vấn đề khởi động và mất đồng bộ đã dễ dàng đƣợc khắc phục. Động cơ đồng bộ có một ƣu điểm nổi bật là có thể điều chỉnh đƣợc hệ số công suất cuả nó bằng các phƣơng pháp kích từ, có thể làm cho hệ số công suất cao hơn 1. Động cơ đồng bộ cực ẩn có khe hở không khí đồng đều, còn ở động cơ cực lồi thì khe hở không đồng đều, từ trở của trục cực từ nhỏ, từ trở của trục trực giao với nó lớn, hệ số điện cảm giữa hai trục không giống nhau, vì thế có thể tạo ra thành phần từ trở mômen (mômen phản kháng). 3.1.2. Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu sử dụng loại vật liệu từ có mật độ từ cao, tổn thất từ nhỏ, khả năng tái nạp từ tốt, chịu nhiệt độ cao, giá thành hạ. Nên nó cạnh tranh tốt với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc công suất nhỏ. Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu có thể chia làm hai loại chính: - Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ bố trí mặt ngoài (SPM: Sinusoidal Surface Magnet Machine) (xem hình 3.1) : Hình 3.1: Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu loại SPM Stato Khe hở không khí Nam châm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 68 - Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ bố trí chìm bên trong (IPM: Sinusoidal Interior Magnet Machine) (xem hình 3.2). IPM có đặc tính sau: - Độ bền vững về cơ cao, cho phép chạy tốc độ cao, gia tốc lớn. - Khe hở không khí không đồng đều, trục d lớn hơn trục q gây nên Ldm  Lqm tƣơng tự nhƣ động cơ đồng bộ cực lồi. - Tồn tại từ thông phần ứng. Đối với loại SPM có khe hở không khí đồng đều Ldm = Lqm tƣơng tự nhƣ động cơ đồng bộ cực ẩn từ trƣờng phản ứng phần ứng rất nhỏ thƣờng bỏ qua. Tuy vậy khi vận hành với tốc độ cao cần quan tâm độ bền cơ. Ở đây chúng ta chọn động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu loại SPM. 3..2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3.2.1. Mô hình toán học động cơ đồng bộ kích từ dây quấn Phƣơng trình điện áp động của động cơ đồng bộ đƣợc viết thành: Hình 3.2: Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu loại IPM Stato Rôto Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 69                        dt dψ iR0 dt dψ iR0 dt dψ IRU dt dψ iRu dt dψ iRu dt dψ iRu Q QQ D DD f fff C C1C B B1B A A1A (3.2) Trong đó 3 phƣơng trình đầu là phƣơng trình điện áp của các cuộn dây A,B,C của stato, phƣơng trình thứ tƣ là phƣơng trình điện áp một chiều của cuộn dây kích từ, hai phƣơng trình cuối là phƣơng trình điện áp của cuộn dây cản. Cuộn dây cản của động cơ thực tế là cuộn dây nhiều rãnh dẫn nhƣ ở kiểu động cơ lồng sóc, ở đây nó đƣợc đơn giản hoá thành hai cuộn dây tƣơng đƣơng độc lập trên trục d và trục q. Đồng thời quy định chiều dƣơng của điện áp, dòng điện, từ thông phù hợp với thông lệ của động cơ điện và quy tắc bàn tay phải.Trong công thức (3.2): uA, uB, uC, uf, là giá trị tức thời của điện áp pha stator, điện áp cuộn dây kích từ iA, iB, iC, iD, iQ, là giá trị tức thời của dòng điện pha stator và của cuộn dây cản If là dòng điện một chiều của cuộn dây kích từ. A, B, C, f, D, Q là từ thông của các cuộn dây các pha;cuộn dây kích từ, cuộn dây cản. R1 ,Rf,RD,RQ là điện trở cuộn dây một pha stator ,cuộn dây kích từ và cuộn dây cản. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 70 Dựa vào nguyên lý chuyển đổi toạ độ đem hệ toạ độ A,B,C chuyển đổi sang hệ toạ độ quay đồng bộ d, q, 0, đồng thời dùng p để biểu thị toán tử vi phân, thì 3 phƣơng trình điện áp của stato sẽ biến đổi thành phƣơng trình (3.3).         0010 dqq1q qdd1d pψiRu ωψpψiRu ωψpψiRu (3.3) Ba phƣơng trình điện áp của rôto không thay đổi, bởi vì nó vốn đã là phƣơng trình trên trục toạ độ d, q. Có thể dẫn ra 3 phƣơng trình cuối của công thức (3.2):         QQQ DDD ffff pψiR0 pψiR0 pψIRU (3.4) Từ công thức (3.3) có thể thấy, từ hệ toạ độ cố định 3 pha sau khi chuyển đổi sang hệ toạ độ quay hai pha , phƣơng trình điện áp của trục d,q về ý nghĩa vật lý vẫn giống nhƣ ở động cơ không đồng bộ do tạo bởi sụt áp điện trở, sức điện động mạch xung (pd và pq) và sức điện động quay (-d và + q). Phƣơng trình từ thông trên hệ toạ độ quay đồng bộ hai pha là:                  QQrqqmQ DDrfdmddmD Ddmffrddmf ls Qqmqqsq Ddfdmddsd iLiL iLILiL iLILiL iL iLiL iLILiL       00 (3.5) trong đó: Lds = Lls + Ldm - tự cảm trên trục d của cuộn dây stato hai pha tƣơng đƣơng; Lqs = Lls + Lqm - tự cảm trên trục q của cuộn dây stato hai pha tƣơng đƣơng; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 71 Lls - cảm ứng rò của cuộn dây hai pha tƣơng đƣơng; Ldm - hỗ cảm giữa cuộn dây stato và rôto trên trục d; tƣơng với điện cảm phản ứng phần ứng trên trục d trong nguyên lý động cơ đồng bộ Lqm - hỗ cảm giữa cuộn dây tato và rôto trên trục q; tƣơng với điện cảm phản ứng phần ứng trên trục q; Lfr = Llf + Ldm - tự cảm cuộn dây kích từ ; LDr = LlD + Ldm - tự cảm cuộn dây cản trên trục d; LQr = LlQ + Lqm - tự cảm cuộn dây cản trên trục q. Trong phƣơng trình điện áp và chuỗi từ, phƣơng trình của thành phần trên trục 0 là độc lập, không có ảnh hƣởng đối với trục d, q, có thể không cần xem xét, ngoài ra, sau khi thay công thức (3.5) vào công thức (3.3), (3.4) và biến đổi có thể nhận đƣợc phƣơng trình ma trận điện áp của động cơ đồng bộ:                                                       Q D f q d QrQqm DrDdmdm dmfrfdm qmdmdmqsds qmdmdmqsds f q d i i I i i pLRpL pLRpLpL pLpLRpL pLLLpLRL LpLpLLpLR U u u . 000 00 00 0 0 1 1   (3.6) Mômen trên trục d, q của động cơ đồng bộ và phƣơng trình chuyển động của nó là: L p dqqdpe T dt d n J iinT   )( (3.7) Phân tích kỹ hơn về các phƣơng trình nêu trên và sử dụng các phƣơng trình đó vào bộ thuật toán véc tơ tạo mô hình toán học trạng thái động cho động cơ đồng bộ kích từ dây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 72 3.2.2. Mô tả toán học động cơ đồng bộ kích từ NCVC Sơ đồ thay thế và mô tả toán học động cơ đồng bộ kích từ NCVC gần tƣơng tự nhƣ loại động cơ đồng bộ kích từ dây quấn. Lúc đó từ thông cực từ f =LmI ’ f=const và không có cuộn khởi động. Ta có phƣơng trình điện áp: qsfe ' dseqssqs ψ dt d ψωψωiRu   (3.8) sfe ' sesss ψ dt d ψωψωiRu dqdd   (3.9) Trong đó: 'fdmf ILψ   qmδsqs qsqsqs ' dsfds dmσsds dsds ' ds LLL iLψ ψψψ LLL Liψ       Phƣơng trình mô men )iψi(ψ 2 P 2 3 M dsqsqsds p đc          (3.10) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 73 3.3. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3.3.1. Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu Nguyên tắc đƣợc sử dụng từ trƣớc đến nay có nhiều cấu trúc điều khiển nghịch lƣu khác nhau ví dụ nhƣ: nghịch dòng chuyển mạch tự nhiên ( nghịch lƣu tự điều khiển), nghịch lƣu điều chế độ rộng xung...vì vậy mà có các loại biến tần và phƣơng pháp khống chế biến tần khác nhau nhƣ: biến tần tự điều khiển, biền tần điều chế độ rộng xumg, biến tần điều khiển vector... 3.3.1.1. Giới thiệu các loại cấu trúc a. Biến tần tự điều khiển sử dụng nghịch lƣu dòng chuyển mạch tự nhiên có ƣu thế đối với hệ thống truyền động công suất cực lớn vì khi đó các van của nghịch lƣu là Thyristor, với việc sử dụng sđđ của cuộn dây stato động cơ làm chuyển mạch của van mà không cần thiết bị phụ trợ làm giảm kích thƣớc và độ phức tạp của hệ thống điều khiển nhƣng có nhƣợc điểm là dòng điện đầu ra khác xa hình sin. b. Biến tần với nghịch lƣu điều chế độ rộng xung hình sin, điều khiển u/f = const là loại biến tần cho phép tạo ra đƣờng cong dòng điện cấp cho động cơ có dạng gần hình sin không bắt buộc sử dụng các khâu phản hồi, biến tần loại này có thể điều khiển tốc độ động cơ một pha, ba pha với việc đảm bảo giữ đƣợc từ thông khe hở không khí gần bằng hằng số nhƣng biến tần loại này có một số nhƣợc điểm sau: + Mô men cực đại sẽ giảm thấp khi tần số giảm nhiều. + Thực tế khi điều chỉnh khó giữ đƣợc từ thông khe hở không khí bằng hằng số mà đặc biệt trong chế độ động khó đạt đƣợc. Chính vì vậy mà chất lƣợng điều khiển thấp. . c. Biến tần điều khiển vector: với việc áp dụng phép chuyển đổi toạ độ khi xây dựng mô hình toán học của động cơ thì có thể thực hiện chuyển đổi mô hình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 74 của động cơ xoay chiều nói chung tƣơng đƣơng với mô hình của động cơ một chiều, từ đó có thể áp dụng các phƣơng pháp điều khiển của động cơ một chiều để tiến hành điều khiển tốc độ và mô men động cơ một cách rất thuận lợi đặc biệt là với phƣơng pháp điều khiển vector định hƣớng theo từ thông rotor. Ý tƣởng về cấu trúc hệ thống điều khiển vector có thể đƣợc mô tả nhƣ sau: Động cơ đồng bộ qua biến đổi tọa độ có thể trở thành động cơ một chiều tƣơng đƣơng, nhƣ vậy phỏng theo phƣơng pháp điều khiển động cơ một chiều, tìm ra lƣợng điều khiển của động cơ một chiều, qua phép biến đổi tọa độ ngƣợc, lại có thể điều khiển đƣợc động cơ đồng bộ. Bởi vì đối tƣợng phải tiến hành biến đổi tọa độ là vector không gín của dòng điện, lại có thể điều khiển đƣợc động cơ đồng bộ. Bởi vì đối tƣợng phải tiến hành biến đổi tọa độ là vector không gian của dòng điện (đặc trƣng cho s.t.đ.), cho nên thông qua hệ thống điều khiển để thực hiện chuyển đổi tọa độ đƣợc gọi là hệ thống điều khiển chuyển đổi vector (Transvector Control System), gọi tắt là hệ thống điều khiển vector (Vector Control System), ý tƣởng này đƣợc mô tả bởi sơ đồ trên hình 3.3. Trong đó tín hiệu cho trƣớc và tín hiệu phản hồi đi qua bộ điều khiển tƣơng tự nhƣ hệ thống điều tốc một chiều đã dùng, tín hiệu đặt dòng điện kích từ i*d và tín hiệu đặt dòng điện mạch rotor i * q, đi qua bộ chuyển đổi quay VR -1, nhận đƣợc * * 1 1i , i  , tiếp tục đi qua phép chuyển đổi 2 pha/3 pha nhận đƣợc * * * A1 B1 C1i , i , i . Sử dụng ba dòng điện này điều khiển cùng với tín hiệu điều Bé phËn cã thÓ bá khi thiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn Bé ®iÒu khiÓn VR-1 2 3 Bé biÕn tÇn ®iÒu khiÓn dßng ®iÖn i * d iA i * q  * 1i * 1i * Ai * Bi * Ci 3 2 iB iC VR M« h×nh ®éng c¬ mét chiÒu t•¬ng ®•¬ng   + - i1 i1 id iq   §éng c¬ ®ång bé H×nh 3.3: ý t•ëng cÊu tróc hÖ thèng ®iÒu khiÓn vector Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 75 khiển tần số  nhận đƣợc từ bộ điều khiển để khống chế bộ biến tần điều khiển dòng điện, tạo ra dòng điện 3 pha mà động cơ điều tốc yêu cầu. Khi thiết kế hệ thống điều khiển vector, có thể cho rằng ở bộ chuyển đổi quay ngƣợc VR-1 đƣa vào phía sau bộ điều khiển và khâu chuyển đổi quay VR trong bản thân động cơ triệt tiêu nhau, bộ chuyển đổi 2/3 và bộ chuyển đổi 3/2 phía trong động cơ triệt tiêu nhau, nếu tiếp tục bỏ qua trễ do bộ biến tần sinh ra thì phần trong khung nét đứt trên hình 3.3 có thể bỏ đi hoàn toàn, phần còn lại rất giống với hệ thống điều tốc một chiều. Có thể tƣởng tƣợng rằng, tính năng trạng thái tĩnh và động của hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector hoàn toàn tƣơng đƣơng với hệ thống điều tốc một chiều. * Mô hình động cơ một chiều tƣơng đƣơng của động cơ đồng bộ: Quy tắc của phép chuyển đổi tọa độ là tạo ra sức điện động quay đồng bộ, dòng điện xoay chiều mạch stator iA, iB, iC qua phép biến đổi 3/2, có thể chuyển đổi tƣơng tƣơng thành dòng điện xoay chiều ở tọa độ cố định 2 pha i1, i1; sau đó lại thông qua phép biến đổi quay theo định hƣớng từ trƣờng rotor, có thể chuyển đổi tƣơng đƣơng thành dòng điện một chiều id, iq trên hệ tọa độ quay đồng bộ. Nếu ngƣời quan sát đứng trên lõi sắt từ và cùng quay với hệ tọa độ, thì ngƣời quan sát sẽ thấy đó nhƣ là một động cơ một chiều, tổng từ thông 2 của rotor động cơ xoay chiều ban đầu chính là từ thông động cơ điện một chiều tƣơng đƣơn  Mô hình động cơ một chiều tƣơng đƣơng id iq Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc biến đổi tọa độ động cơ đồng bộ 3/2 (Biến đổi 3 pha/2 pha; VR) Biến đổi quay đồng bộ; ) Góc giữa trục d và trục  (trục A)  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 76 Từ quan hệ tƣơng đƣơng trên đây có thể mô tả dạng sơ đồ cấu trúc của động cơ nhƣ trên hình 3.4. Về tổng thể mà nói, đầu vào 3 pha A, B, C, đầu ra tốc độ góc , là một động cơ đồng bộ, qua phép biến đổi 3/2 và biến đổi quay đồng bộ trở thành một động cơ một chiều đầu vào id, iq và đầu ra . 3.3.1.2. Lựa chọn phương pháp điều khiển nghịch lưu Qua phân tích trên ta có thể áp dụng nhiều phƣơng pháp điều khiển khác nhau, nhƣng một số hệ thống truyền động biến tần - động cơ xoay chiều thì cấu trúc điểu khiển hiện đại nhất là cấu trúc điều khiển vector tựa theo từ thông rotor. Điều khiển định hướng theo từ trường còn gọi là điều khiển vectơ, có thể đáp ứng các yêu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và động. Nguyên lý điều khiển vector dựa trên ý tƣởng điều khiển vector động cơ đồng bộ tƣơng tự nhƣ điều khiển động cơ một chiều. Phƣơng pháp này đáp ứng đƣợc yêu cầu điều chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ cũng nhƣ chất lƣợng điều khiển tối ƣu mômen. Việc điều khiển vector dựa trên định hƣớng vector từ thông rotor có thể cho phép điều khiển tách rời hai thành phần dòng stator, từ đó có thể điều khiển độc lập từ thông và mômen động cơ. Kênh điều khiển mômen thƣờng gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và một mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh mômen. Kênh điều khiển từ thông thƣờng gồm một mạch vòng điều chỉnh dòng điện sinh từ thông. Do đó hệ thống truyền động điện động cơ đồng bộ có thể tạo đƣợc các đặc tính tĩnh và động cao. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 77 3.3.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ truyền động 3.3.2.1. Sơ đồ khối hệ điều khiển Sơ đồ khối tổng quát hệ truyền động điện biến tần 4Q - ĐB đƣợc giới thiệu trên hình 3.5. Phần lực của chỉnh lƣu PWM (CLPWM) và nghịch lƣu (NL) có kết cấu tƣơng tự nhau. Khối điều khiển chỉnh lƣu PWM và khối điều khiển nghịch lƣu gồm các bộ điều chỉnh và thiết bị phát xung điều khiển các IGBT trong mạch lực. Tín hiệu khống chế khối điều khiển chỉnh lƣu đƣợc ký hiệu là ĐKCL, thƣờng là tín hiệu đặt giá trị điện áp một chiều đầu ra của chỉnh lƣu PWM, ký hiệu là * dcU và có thể thêm lƣợng đặt khác; tín hiệu khống chế khối điều khiển nghịch lƣu đƣợc ký hiệu là ĐKNL, với phƣơng pháp điều khiển vector thƣờng gồm lƣợng đặt dòng điện sinh từ thông và tốc độ quay. - Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực của hệ biến tần 4Q - ĐB Hình 3.5: Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - ĐB CLPWM NL ĐB LL C  3 p h a Udc Scla,b,c SNla,b,c Điều khiển chỉnh lƣu PWM Điều khiển nghịch lƣu ĐKNL ĐKCL FT Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 78 Các hệ truyền động điện biến tần 4Q dùng chỉnh lƣu PWM - động cơ xoay chiều đồng bộ chỉ khác nhau về phƣơng pháp điều khiển các khối chỉnh lƣu và nghịch lƣu, còn phần mạch lực thì cơ bản giống nhau. Hình 3.6 là sơ đồ nguyên lý phần mạch lực của hệ thống truyền động. Sơ đồ gồm bộ điện cảm nguồn L; hai sơ đồ cầu ba pha bằng các IGBT làm nhiệm vụ chỉnh lƣu (CLPWM) và nghịch lƣu (NL); tụ điện C vừa là phần tử cơ bản trong sơ đồ chỉnh lƣu PWM, vừa là phần tử lọc; động cơ đồng bộ ba pha ĐB. 3.3.2.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu Theo phân tích trong chƣơng hai, có nhiều phƣơng pháp điều khiển bộ chỉnh lƣu tích cực PWM, mỗi phƣơng pháp điều khiển có những ƣu nhƣợc điểm riêng. Các phƣơng pháp điều khiển khác nhau có sự khác nhau về đại lƣợng điều khiển cũng nhƣ cấu trúc cụ thể của hệ thống điều khiển nhƣng đều nhằm đạt mục tiêu chung là điều khiển sự đóng mở các van để giữ ổn định giá trị điện áp một chiều đầu ra theo giá trị đặt, khống chế hệ số công suất theo yêu cầu, đảm bảo dạng dòng điện lƣới gần với hình sin và cho phép thực hiện trao đổi công suất hai chiều giữa tải và nguồn. Để nghiên cứu sự làm việc của hệ truyền động biến tần bốn góc phần tƣ - động cơ đồng bộ ta chọn phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu là phƣơng pháp VOC. uL H×nh 3.6: S¬ ®å nguyªn lý phÇn lùc hÖ truyÒn ®éng biÕn tÇn bèn gãc phÇn t• dïng chØnh l•u PWM - ®éng c¬ ®ång bé ba pha §B uL Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 79 Cấu trúc chi tiết khối điều khiển chỉnh lƣu PWM điều khiển theo VOC đƣợc biểu diễn trên hình 3.7. Các khâu chức năng cơ bản của khối điều khiển chỉnh lƣu theo phƣơng pháp VOC gồm: - Khâu đo dòng điện và ƣớc lƣợng điện áp lƣới: Thực hiện đo dòng xoay chiều đầu vào chỉnh lƣu (iLa, iLb), biến đổi dòng điện ở hệ ba pha sang vector không gian trên hệ tọa độ cố định - (iL, iL) và tính các thành phần vector điện áp lƣới trên hệ tọa độ - (uL, uL). - Khâu biến đổi -  k-: Thực hiện xác định góc  giữa vector điện áp lƣới và trục  của hệ tọa độ -, đây cũng là góc giữa trục d của hệ tọa độ quay d-q với trục  của hai hệ tọa độ cố định -, phục vụ cho việc chuyển tọa độ các vector dòng và áp. PI d - q * Ldi  k   * dcU iLq * Lqi 0 PI PI dq - - Khâu đo dòng điện và ƣớc lƣợng điện áp lƣới Khâu điều chế độ rộng xung PWM iLd SCLa,b,c iLa iLb us us  cosUL sinUL iLd iLq iL iL usq usd cosUL sinUL - uL uL Hình 3.7: Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC Udc Udc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 80 - Khâu biến đổi -  d-q làm nhiệm vụ biến đổi hệ tọa độ vector dòng điện lƣới, đầu ra nhận đƣợc các thành phần của vector dòng điện lƣới trên hệ tọa độ quay d-q (iLd, iLq). - Khâu biến đổi d-q  - làm nhiệm vụ biến đổi hệ tọa độ vector điện áp tải qui đổi, đầu ra nhận đƣợc các thành phần của vector điện áp tải trên hệ tọa độ - (us, us) dùng để điều khiển khâu điều chế độ rộng xung PWM. - Khâu điều chế độ rộng xung PWM: Thực hiện tạo các xung điều khiển các khoá đóng cắt của mạch lực, khâu hoạt động theo nguyên lý điều chế vector không gian. Các bộ điều chỉnh dòng và áp đƣợc lựa chọn là các bộ PI, tín hiệu đặt của các bộ điều chỉnh dòng là * di đƣợc lấy từ đầu ra bộ điều chỉnh điện áp và * qi 0 (đƣợc lấy bằng không theo điều kiện hệ số công suất bằng 1). Nhƣ vậy, trên thực tế, hệ chỉ có một tín hiệu điều khiển chung cho bộ chỉnh lƣu là tín hiệu đặt điện áp một chiều * dcU . 3.3.3. Cấu trúc điều khiển nghịch lƣu Trong thời điểm hiện nay cấu trúc đƣợc sử dụng phổ biến nhất đạt chất lƣợng cao là cấu trúc điều khiển vector. Khi lựa chọn cấu trúc điều khiển nghịch lƣu vector theo từ thông rotor ngƣời ta có thể đƣa ra một số sơ đồ khác nhau. . Từ phƣơng trình cân bằng điện áp trên hệ d-q, kết hợp với các quan hệ có đƣợc khi áp dụng định hƣớng từ thông rotor, thực hiện thành lập các phƣơng trình mô tả quan hệ giữa các thành phần điện áp và dòng điện stator trên hệ tọa độ d-q, làm cơ sở cho việc tính toán giá trị các thành phần điện áp đặt, sau khi chuyển tọa độ về hệ ba pha thu đƣợc các giá trị đặt điện áp stator. Từ các giá trị đặt điện áp, sử dụng nguyên lý điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) hoặc nguyên lý điều chế vector không gian (ĐCVTKG) để thực hiện việc điều khiển các van nghịch lƣu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 81 Căn cứ vào tài liệu “điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha” của TS. Nguyễn Phùng Quang ta lựa chọn cấu trúc phần điều khiển nghịch lƣu theo nguyên lý trên đƣợc mô tả trên hình 3.8 Các khối điều khiển cơ bản và nhiệm vụ của khối trên hình 3.8: - Phần mạch lực gồm có động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu và bộ nghịch lƣu ( NL). - Phần điều khiển gồm các khối chủ yếu sau: + Các sensor đo dòng 2 pha động cơ isa, isb. + M áy đo tốc độ quay động cơ; + ĐCTĐQ là bộ điều chỉnh tốc độ quay; + CTĐi là khâu chuyển tọa độ dòng điện stator từ hệ tọa độ - sang hệ tọa độ d-q; + CTĐu là khối chuyển đổi tọa độ điện áp từ hệ - sang hệ tọa độ d-q; + ĐCD là khâu điều chỉnh đa thông số, có nhiệm vụ tính ra giá trị đặt các thành phần điện áp stator trên hệ tọa độ d-q ( usd và usq); + DTT là khâu dẫn từ thông; + SPWM là khâu điều chế độ rộng xung: Thực hiện tạo các xung điều khiển các khoá đóng cắt của mạch lực; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 82 Chƣơng 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 4.1. MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA CHỈNH LƢU PWM Để thực hiện quá trình mô phỏng các đặc tính cơ bản của hệ truyền động biến tần 4Q - ĐB nhằm kiểm nghiệm các phân tích lý thuyết và chứng minh các khả năng của hệ truyền động, trƣớc tiên, tiến hành mô phỏng để kiểm chứng các tính năng ƣu việt của chỉnh lƣu PWM, đồng thời cũng là để kiểm chứng cấu trúc điều khiển khối chỉnh lƣu PWM. 4.1.1. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng chỉnh lƣu PWM Dựa vào mô tả toán học của chỉnh lƣu PWM, các phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM và các cấu trúc tƣơng ứng, ứng dụng các phần mềm PLECS và MATLAB ta xây dựng đƣợc mô hình mô phỏng cho chỉnh lƣu PWM. Để đánh giá về chỉnh lƣu PWM, ở đây chỉ mô phỏng chỉnh lƣu PWM theo một phƣơng pháp điều khiển là phƣơng pháp điều khiển theo VOC. Trong phần này, để đánh giá về điện áp một chiều đầu ra, chất lƣợng dòng điện lƣới và hệ số công suất của chỉnh lƣu PWM, ta nghiên cứu sự làm việc của bộ chỉnh lƣu với tải điện trở có điều chỉnh. Dựa vào cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VOC đƣợc mô tả ở hình 2.15, sử dụng phần mềm MATLAB có thể xây dựng đƣợc sơ đồ (chƣơng trình) mô phỏng cho trƣờng hợp này nhƣ trên hình 4.1, các hình 4.2 và hình 4.3 là sơ đồ mô phỏng chi tiết phần điều khiển chỉnh lƣu theo phƣơng pháp VOC (khối “Subsystem”) và phần mạch lực (khối “PLECS circuit”). Các thông số cơ bản của nguồn và tải khi xây dựng chƣơng trình mô phỏng đƣợc chọn: nguồn xoay chiều ba pha có tần số 50Hz, điện áp pha là 220V; giá trị đặt của điện áp chỉnh lƣu đầu ra Udc khi bắt đầu mô phỏng (t=0) là 600V và tải là điện trở 30; tại t=0.2s tăng giá trị đặt của điện áp ra chỉnh lƣu một lƣợng Udc=100V; tại t=0.4s tăng tải bằng cách nối song song thêm vào điện trở tải một điện trở khác có giá trị là 60. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 83 Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC Hình 4.2: Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp VOC(khối “Subsytrem”) của mô hình hình 4.1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 84 4.1.2. Các kết quả mô phỏng chỉnh lƣu PWM Trên hình 4.4 biểu diễn điện áp một chiều sau chỉnh lƣu, từ đồ thị Udc cho thấy, quá trình khởi động của bộ chỉnh lƣu diễn ra trong thời gian rất ngắn, sự thay đổi giá trị điện áp ra khi thay đổi giá trị đặt cũng diễn ra rất nhanh, điện áp ra bám sát giá trị đặt với sai lệch không đáng kể, một điểm cần quan tâm là giá trị điện áp một chiều đầu ra cao hơn giá trị điện áp ra của chỉnh lƣu đi ốt thông thƣờng, điều này đáp ứng đƣợc yêu cầu điện áp một chiều cao mà không cần phải dùng máy biến áp tăng áp. Hình 4.5, 4.6 biểu diễn điện áp và dòng điện một pha nguồn xoay chiều (pha A). Các đồ thị cho thấy, dòng điện nguồn có dạng rất gần với hình sin; trong các chế độ khác nhau luôn đạt đƣợc hệ số công suất cos =1 (dòng điện trùng pha với điện áp). 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 100 200 300 400 500 600 700 800 t(s) Udc(V) Hình 4.4: Điện áp một chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 t(s) ua(V), ia(A) Hình 4.5: Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC Hình 4.3: Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình hình 4.1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 85 4.2. MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN 4Q - ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA 4.2.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ truyền động trong phần mềm Matlab Để đánh giá đầy đủ về hệ truyền động cũng nhƣ về biến tần bốn góc phần tƣ sử dụng chỉnh lƣu PWM, ta tiến hành mô phỏng sự làm việc của hệ truyền động biến tần 4Q - động cơ xoay chiều đồng bộ ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu. Trong hệ thống này, phần điều khiển chỉnh lƣu PWM cũng vẫn áp dụng phƣơng pháp điều khiển VOC, còn phần nghịch lƣu sử dụng phƣơng pháp điều khiển vector định hƣớng theo từ thông rotor. Phần điều khiển nghịch lƣu đƣợc xây dựng cơ bản dựa trên cấu trúc đƣợc mô tả trên hình 3.8 có sửa đổi chút ít trên quan điểm chỉ thực hiện mô phỏng sự làm việc của hệ trong vùng tần số ra của biến tần nằm trong khoảng từ tần số định mức của động cơ trở xuống. Với vùng tần số dƣới tần số cơ bản thì yêu cầu thực hiện duy trì từ thông rotor bằng hằng số, do vậy trong cấu trúc điều khiển chọn giá trị đặt thành phần sinh từ thông bằng hằng số (id=const). Cấu trúc điều khiển nghịch lƣu trong trƣờng hợp này đƣợc mô tả trên hình 4.8 0 5 10 15 20 25 30 35 0.400 0.433 0.417 t(s) idc(A) Hình 4.7: Dòng một chiều sau chỉnh lưu của PWM điều khiển theo VOC trong thời gian 1/6 chu kỳ nguồn 0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 t(s) ua(V), ia(A) Hình 4.6: Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC trong thời gian 5 chu kỳ nguồn ua ia Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 86 Sử dụng phần mềm PLECS chạy trong môi trƣờng MATLAB có thể xây dựng đƣợc sơ đồ (chƣơng trình) mô phỏng hệ truyền động nhƣ hình.4.9, đến hình 4.17 Thông số động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu (PMSM) của Siemens loại FT6  Công suất P = 4.5 kW  Điện cảm Stator : Ls = 5,4 mH  Điện trở Stator: Rs = 0,47   Số đôi cực: Zp = 1  Tần số: fs = 50 Hz  Tốc độ quay danh định: n_N = 3000 vòng/phut  Tốc độ quay tối đa: n_max = 4500 vòng/phut  Momen quán tính: J = 0,0069 kgm2 ĐCD CTĐu ĐCTĐQ  * Khâu tích phân us us iA iB 3 2 i i SPWM isd isq   Hình 4.8: Cấu trúc điều khiển vector trong vùng tần số f fdm CTĐi VR -1 VR 2 3 i * sq i * sd = 0 usd usq ua ub uc   iC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 87  Momen danh định: m_M = 26,5 Nm  Dòng danh định: I_N = 10,9 A Hình 4.9: Sơ đồ mô phỏng hệ biến tần 4Q - Động cơ đồng bộ ba pha kích từ vĩnh cửu (PMSM) điều khiển theo VOC - DTC wm 650 v_dc_ref us_ab ula isd* iabc_v iabc i_d Vd Tm1 Tm T2 T1 T Udc Udc* iabc_L u_ab u_bc pulses-re Subsystem Speed Reference1 Speed Reference M Isd* w* Iabc w Udc Inv erter INVERTER -K- Gain Rectif ier Inv erter Tm i_v si i_d v _d is_abc m uLa u_ab u_bc usab PLECS Circuit Circuit Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 88 V: 350 w : 2*pi*50 Rectif ier 1A A A i_vsi 1 L: 0.015 A i_d 2 2-Level IGBT Converter V v_d 3 C1 2-Level IGBT Converter1 Inverter 2 A A A is_abc 4 m 5Tm 3 uLa 6 V V V u_ab 7 u_bc 8 V usab 9 Tm m PMSM Hình 4.10: Khai triển chi tiết khối PLECS circuit của mô hình mô phỏng hình 4.9 1 Inverter isq isd dq ab dq -> ab 1/z 1/z 750 Udc1 Omega theta Omega_e Tinh goc x isq*r Speed Controller u_alpha u_beta u_dc s PWM isd* isq* isd isq omega_e Udc usd usq Current Controller 3ph->RRF 5 Udc 4 w 3 Iabc 2 w* 1 Isd* Hình 4.11: Khai triển chi tiết INVERTER Hình 4.12: Khai triển chi tiết khối Speed controller trong INVERTER x(k-1) x(k) isds(k) isdsr(k) isds(k-1) 1 isq*r z 1 z 1 z 1 -K- V D 1 x Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 89 Hình 4.14: Khai triển chi tiết khối SubSystem 1 pulses-re 0 i_ref reactive f(u) atan2 v _ref v _dc i_ref Voltage control RRF->3ph enable m v _dc pulses PWM Enable control i_ref i m Current control 3ph->RRF InOut ->pha 5 u_bc 4 u_ab 3 iabc_L 2 Udc* 1 Udc 1 i_ref -K- P 1 s Integrator -K- I Enable 2 v_dc 1 v_ref Hình 4.15: Khai triển chi tiết khối Voltage controller trong SubSystem Hình 4.16: Khai triển chi tiết khối Current controller trong SubSystem 1 m -C- v_N -K- P 1 s Integrator -K- I K*u Decoupling Enable 2 i 1 i_ref 2 us q 1 us d isd s isq s is d is q Omega _e usd r usq r us d us q Subsyste m d q li m dli m qli m Output correct phas limitation - K- 6 Ud c 5 omega _e 4 is q 3 is d 2 isq * 1 isd * us d us q Hình 4.13: Khai triển chi tiết khối Current controller trong INVERTER Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 90 4.2.2. Kết quả mô phỏng hệ thống a. Trƣờng hợp động cơ làm việc với mô men tải phản kháng Để kiểm tra khả năng của hệ truyền động khi động cơ làm việc với mô men tải mang tính chất phản kháng hoặc tải thế năng nhƣng chiều quay của rotor động cơ ngƣợc chiều mô men tải, ta thực hiện mô phỏng quá trình khởi động và quá trình điều chỉnh tốc độ động cơ cho trƣờng hợp này. Kết quả mô phỏng đƣợc mô tả trên các hình 4.18, 4.19, 4.20, 4.21, 4.22, 4.23, và 4.24.  (rad/s) 1 pulses m s Symmetrical PWM Scale Modulation Index Product1 1 Minimum max MinMax 1/2 Gain m m' 3-Phase Overmodulation 3 v_dc 2 m 1 enable Hình 4.17 Khai triển chi tiết khối PWM trong SubSystem Hình 4.18: Tốc độ động cơ khi khởi động có tải, điều chỉnh giảm tốc với tải phản kháng bằng hằng số ổn định với tải thế năng (Mc=-5Nm, đặt=312rad/s) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0 50 100 150 200 250 300 350 t(s) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 91 M, Mc (Nm) Hình 4.19: Mô men động cơ khi khởi động, làm việc ổn định và điều chỉnh giảm tốc với tải phản kháng (Mc=5Nm=const) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 M Mc t(s) M Hình 4.20: Dạng điện áp dây (uAB) trên động cơ khi giá trị đặt điện áp ra chỉnh lưu PWM là 650V 0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 -600 -400 -200 0 200 400 600 uAB (V) t(s) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 92 Từ các kết quả mô phỏng cho thấy hệ truyền động hoàn toàn đáp ứng tốt các yêu cầu về độ tác động nhanh, độ quá điều chỉnh. Dòng điện và mô men động cơ trong quá trình quá độ hoàn toàn có thể khống chế trong gới hạn cho phép. Dạng dòng điện qua động cơ rất gần với hình sin, hạn chế đến mức tối thiểu tổn thất trong động cơ, cho phép động cơ phát huy hết khả năng nhƣ nhà sản xuất quy định. b. Trƣờng hợp động cơ làm việc với mô men tải thế năng Một trong những yêu cầu quan trọng đối với hệ truyền động biến tần bốn góc phần tƣ - động cơ xoay chiều là khả năng khả năng chuyển trả năng lƣợng từ tải về lƣới điện, đặc biệt là khi tải mang tính chất thế năng. Để kiểm chứng khả năng này, ta thực hiện mô phỏng quá trình khởi động và làm việc ổn định của hệ truyền động khi mô men tải mang tính chất thế năng và động cơ quay theo chiều tác động của mô men tải (động cơ làm việc trong góc phần tƣ thứ tƣ - ở đây để đơn giản ta vẫn 0.22 0.23 0.24 0.25 0.26 0.27 0.28 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 iA,B,C (A) Hình 4.24: Dòng điện ba pha của động cơ giai đoạn trước và sau khi kết thúc quá trình khởi động t(s) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 93 cho tốc độ dƣơng, vì vậy mmoo men tải Mc sẽ mang dấu âm). Kết quả mô phỏng đƣợc mô tả trên các hình 4.22, 4.23 và 4.24. Hình 4.23: Điện áp và dòng điện đầu vào chỉnh lưu PWM trong giai đoạn khởi động và khi vào làm ổn định việc với tải thế năng 0.15 0.17 0.18 0.2 0.22 uA iA t(s) uA (V), iA25(A) 0.16 0.19 0.21 0.23 0.24 0.25 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 Hình 4.22: Tốc độ động cơ khi khởi động và làm việc ổn định với tải thế năng (Mc=-5Nm, đặt=312rad/s), giả thiết chiều quay theo chiều tác động của mô men tải (góc phần tư thứ tư) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 50 100 150 200 250 300 350  (rad/s) t(s) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 94 Từ các kết quả mô phỏng cho thấy hệ truyền động đảm bảo đƣợc khả năng chuyển trả năng lƣợng từ tải về nguồn thể hiện ở đồ thị điện áp và dòng điện đầu vào khối chỉnh lƣu PWM. Dòng điện nguồn sau giai đoạn tăng tốc của động cơ thay đổi pha, ngƣợc pha với điện áp nguồn, tức là nguồn xoay chiều thu công suất do động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh chuyển về. 4.3. Kết ulận: - Hệ truyền động biến tần - động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q với chỉnh lƣu PWM đáp ứng đƣợc đòi hỏi về điện áp một chiều đầu ra theo yêu cầu. Ngoài ra sử dụng chỉnh lƣu PWM cho phép thực hiện đƣợc quá trình trao đổi năng lƣợng hai chiều giữa tải và nguồn, giảm đáng kể sóng hài bậc cao M (Nm) Hình 4.21: Mô men động cơ khi khởi động và làm việc ổn định với tải thế năng (Mc=-5Nm, đặt=312rad/s) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 t(s) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 95 trong dòng điện lƣới, tăng hiệu suất. Vì vậy, mặc dù giá thành của loại biến tần này cao gấp đôi so với biến tần thông thƣờng nhƣng với hệ truyền động này, đặc biệt là khi ứng dụng vào các hệ thống thang máy, máy bơm, quạt gió,… là rất phù hợp. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. KẾT LUẬN Việc sử dụng bộ chỉnh lƣu tích cực PWM làm khối chỉnh lƣu của bộ biến tần cho phep bộ biến tần và hệ truyền động động cơ xoay chiều ứng dụng loại biến tần này đạt đƣợc nhiều tính năng ƣu việt mà các bộ biến tần thông thƣờng khác không có: - Giảm đến mức rất thấp các sóng hài bậc cao trong dòng điện lƣới. - Có khả năng tạo đƣợc hệ số công suất lƣới điện theo yêu cầu. - Có khả năng điều chỉnh và ổn định tốt điện áp phần một chiều, giảm bớt ảnh hƣởng của sự dao động điện áp lƣới điện đến bộ biến tần. - Động cơ có thể làm việc đƣợc mọi chế độ, đặc biệt là chế độ hãm tái sinh kể cả trong chế độ ổn định và quá độ, cho phép có thể áp dụng hệ truyền động biến tần 4Q - động cơ xoay chiều với nhiều loại tải khác nhau, tiết kiệm năng lƣợng trong nhiều trƣờng hợp. 2. KIẾN NGHỊ - Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện để có thể áp dụng vào thực tế. - Nghiên cứu tìm thêm ứng dụng khác đối với chỉnh lƣu PWM. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Trần Khánh Hà (1997), Máy điện tập 1, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 2. Bùi Quốc Khánh, NguyễnVăn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dƣơng Văn Nghi (2002), Tự động điều chỉnh truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 3. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2007), Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 4. Trần Thọ, Võ Quang Lạp (biên khảo); Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện; Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội,2004. 5. Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội. Tiếng Anh 6. C. Daoshen and B. K. Bose (1992), “Expert system based automated selection of industrial AC drives”, IEE IAS Annu. Meet. Conf. Rec., pp 387-392. 7. Mariusz Malinowski (2001), Sensorless Control Strategies for Three Phase PWM Rectifiers, Warsaw, Poland. 8. P. Barrass, M. Cade (1999), PWM rectifier using indirect voltage sensing, Proc.IEE-Elect. Power Applicat., 146 (5), 539-544.