Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần

Nội dung text: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần

1. ĐIỀUKHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA BẰNG BIẾN TẦN SPEED CONTROL OF THREE PHASE INDUCTIONMOTORS USING INVERTER (1)NGUYỄN VĂN NHỜ(2) ĐỖ VĂN THÀNH (1) Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh (2) Học viên cao học Kỹ thuật điện, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh TÓM TẮT Bài báo này trình bày kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha. Kỹ thuật điều chế sóng mang SVPWM được thực hiện bằng kỹ thuật nhúng dùng phần mềm MATLAB/Simulink, các chế độ quá độ cũng như chế độ xác lập của động cơ không đồng bộ ba pha đã được kiểm nghiệm, ví dụ như đặc tính điều khiển tốc độ của động cơ và khởi động mềm.Giải thuật điều khiển được thực nghiệm bằng việc sử dụng vi sử lý số DSP TMS320F28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ phầm mềm MATLAB kết hợp với chương trình CCS 3.3 để biên dịch và nạp cho vi sử lý. Từ khóa:Động Cơ không đồng bộ, SVPWM, nghịch lưu hai bậc, hằng số V/f. ABSTRACT This paper presents a PWM technique to control the three phase asynchronous motor speed. The SVPWM control method obtained by embed programming using MATLAB/Simulink, dynamic and stable states of the motor were tested, such as soft-starting, increased power switching behaviors.This control strategy was experimented by using the TMS320F28335 micro processor DSP board with embed programing based on MATLAB program. The CCS 3.3 was also used as a relevant micro processor compiler. Key words: Induction Motor,SVPWM,Two-level inverter, constant V/f. I. GIỚI THIỆU. lý thuyết điều khiển và các ngành liên quan Nghich lưu 2 bậc đã được nghiên cứu rộng rãi. làm cho động cơ không đồng bộ 3 pha đang Nó được ứng dụng trong các hệ truyền động chiếm ưu thế trong các ngành truyền động nên của các dây chuyền sản suất hiện đại, động cơ đề tài luận văn tốt nghiệp “ Điều khiển tốc độ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc đang được động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần” sử dụng rộng rãi bởi có nhiều ưu điểm như cấu được chọn để thay thế cho các mạch điều trúc đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ, vận khiển cổ điển gây ra nhiều tổn thất trên mạch hành tin cậy và an toàn. Với sự phát triển của điều chỉnh. Và Matlab cũng đã được ứng dụng 1
2. để nghiên cứu phát triển thêm các kỹ thuật Khi hoạt động ở định mức: , nghịch lưu nhằm cải thiện các khuyết điểm 푼 풅 푹 /풔 푴풅 = 푹, hiện tại. Kết hợp với card DSP F28355 để lập 흎 . 푹 + (푿 + 푿, ) 풅 풔 풅 풅 . trình nhúng thì DSP có hiệu suất rất cao, ít tổn 푴풕풉풅 thất công suất không phụ thuộc hoạt động của 푼 = hệ thống và nó rất tương thích với Matlab. 흎 푹 + 푹 + (푿 + 푿, ) II. ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 풅 풅 . KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA DỰA TRÊN Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số CƠ SỞ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ thấp, ta sẽ cung cấp thêm cho động cơ điện VECTOR KHÔNG GIAN. một điện áp Uo để từ thông của động cơ định 2.1 Phƣơng pháp điều khiển U/f=const mức khi f = 0. Từ đó ta có quan hệ sau: Sđđ của cuộn dây stator E1 tỷ lệ với từ U1 =U0 + Kf1(2.3) thông Φ và tần số f1 theo biểu thức: Với K là một hằng số được chọn sao cho 푬 = 푲횽 풇 = 푼 − 푰 풁 ( . ) giá trị U1 cấp cho động cơ U=Udm tại f = fdm. Từ (2.1) nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở Khi a > 1 (f > fdm ), điện áp được giữkhông đổi stato Z1, ta có E1=U1, do đó : và bằng định mức. Khi đó động cơ hoạt động 푼 ở chế độ suy giảm từ thông. Sau đây là đồ thị 횽 = 푲 ( . ) 풇 biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp Như vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ theo tần số trong phương pháp điều khiển tỷ số U1/f1 không đổi. Trong phương pháp U/f U/f=const: = const thì tỷ số U1/f1 được giữ không đổi và bằng tỷ số này ở định mức. Cần lưu ý khi momen tải tăng, dòng động cơ tăng làm tăng sụt áp trên điện trở stato dẫn đến E1 giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm. Do dó động cơ không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi. Ta có công thức tính momen cơ của động Hình 2.1:Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa cơ như sau: momen và điện áp theo tần số theo luật điều 푼 푹, / 푴 = khiển U/f=const 푹, 흎 . 푹 + (푿 + 푿, ) 풔 . Với momen tới hạn: 푼 푴풕풉 = , 흎 푹 + 푹 + 푿 + 푿 2
3. 2.2 Phƣơng pháp điều chế vector không 11 q 1 1 gian (SVPWM) V(L2.8 ) 23 22 Vs q3 V L 32 33 Đối với nguồn áp ba pha cân bằng, ta luôn 0 q5 22 có phương trình sau: Phương trình điện áp dây theo các trạng thái ua(t) u(t) b u() c t 0 (2.4) của các khóa: Và bất kỳ ba hàm số nào thỏa mãn phương 풏−흅 풏풏−흅 trình trên đều có thể chuyển sang hệ tọa độ hai 푽 = 퐜퐨퐬 + 퐬퐢퐧 (2.9) 풏 chiều vuông góc. Ta có thể biểu diễn phương T trình trên dưới dạng ba vectơ gồm [ua 0 0] , T trùng với trục x, vectơ [0 ub 0] lệch một góc o T o 120 và vectơ [0 0 ua] lệch một góc 240 so với trục x, như hình vẽ sau: Hình 2.3: Các vector không gian từ 1 đến 6 Bảng 2.1: Giá trị điện áp các trạng thái đóng ngắt và vector không gian tương ứng Hình 2.2:Biễu diễn vector không gian trong hệ tọa độ oxy. Phương trình vector không gian cho hệ tọa độ phức: 22 jj 2 33 u(t) (2.5 ) uab u .e uc .e Thông thường một trong những tiêu chuẩn để 3 lựa chọn giản đồ đóng kích linh kiện giảm thiểu Chuyển hệ tọa độ (abc) => hệ tọa độ (x-y) tối đa số lần chuyển mạch của linh kiện, để giảm tổn hao trong quá trình đóng ngắt của − − 퐮퐚 풖풙 = 퐮퐛 (2.6) chúng. Số lần chuyển mạch sẽ ít nếu ta trình tự 풖 풚 − 퐮 퐜 điều khiển như giản đồ hình 2.4: Chuyển hệ tọa độ (x – y) => (휶 − 휷): 퐮훂 퐜퐨퐬(훚퐭) −퐬퐢퐧(훚퐭) 퐮퐱 = (2.7) 퐮훃 퐬퐢퐧(훚퐭) 퐜퐨퐬(훚퐭) 퐮퐲 Phương trình điện áp dây: 3
4. Hình 3.3: Sơ đồ khối PI Cấu trúc của bộ hiệu chỉnh PI gồm có hai thành phần chính là khâu khuếch đại (Proportional) và khâu tích phân (Integral). Bộ Hình 2.4: Giản đồ đóng cắt linh kiện hiệu chỉnh PI có nhiệm vụ đưa sai lệch của hệ III. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn VÀ THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC yêu cầu cơ bản về chất lượng. ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 1. Xây dựng mô hình mô phỏng Hình 3.4: Sơ đồ khối công suất Hình 3.1: Sơ đồ tổng quan mô hình mô phỏng Khối IGBT inverter là nghịch lưu 2 bậc từ Khối điều khiển có chức năng: DC sang DC 3 pha. - Thiết lập thời gian khởi động cho động cơ. - thiết lập tốc độ đặt cho động cơ. - Xứ lý tín hiệu từ các thông số đặt để đưa giá trị biên độ và góc vào khối SVPWM để xuất 3 tín hiệu điều khiển vào khối công suất. Hình 3.5: Sơ đồ khối động cơ 3 pha Động cơ không đồng bộ 3 pha được cấp nguồn từ ngõ ra của nghịch lưu. Có điện áp dây 200V, công suất 200W, tần số định mức 50Hz. Hình 3.2: Sơ đồ khối điều khiển 4
5. 2. Xây dựng mô hình thực nghiệm Sơ đồ khối bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha được trình bày như hình 3.6. Hình 3.7: Mô hình lập trình nhúng Để động cơ khởi động mềm ta cần thiết lập bộ điều khiển sao cho tốc độ động cơ tang từ không đến giá trị tốc độ đặt trong khoảng thời Hình 3.6: Sơ đồ khối bộ biến đổi công suất gian định trước. Thiết lập thông số điều khiển Để thực hiện việc nhúng chương trình điều được thể hiện như hình 3.8: khiển xuống DSP TMS320F28335 ta phải chuyển mô hình mô phỏng sang mô hình nhúng như hình 3.7. Hình 3.8: Sơ đồ bên trong khối rpm_rampup Hình 3.9: Sơ đồ bên trong khối SVPWM 3. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm Bảng 3.1: Bảng số liệu mô phỏng của biến tần Bảng 3.2:Bảng số liệu thực nghiệm bộ biến tần Nguồn điện xoay chiều (Vrms) 220 Nguồn điện xoay chiều (Vrms) 220 Điện áp trên tụ (V) 310 Điện áp trên tụ (V) 300 Tụ lọc C (µF) 1600 Tụ lọc C (µF) 1600 Công suất động cơ (W) 200 Công suất động cơ (W) 200 Thông số Kp, Ki của PI 0,45 và 1 Thông số Kp, Ki của PI 0,9 và 1.1 Môment (Nm) 5 Môment (Nm) 0 5
6. Hình 3.10:Dạng sóng mô phỏng tốc độ, môment và dòng điện khi n=1450 Vòng/phút Hình 3.11: Phân tích phổ dòng điện n=1450 vòng/phút a) b) Hình 3.12: Dạng sóng dòng điện khi tốc độ đặt: a) n = 150 vòng/phút b) n = 1450 vòng/phút 6
7. a) b) Hình 3.13: Kết quả thực nghiệm khi tốc độ đặt: a) n = 150 vòng/phút, I(1) = 0,85A, V(1) = 20V, fs=5.2Hz b) n = 1450 vòng/phút, I(1) = 0,57A, V(1) = 160V, fs=50Hz Bảng 3.3: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Mô phỏng Thực nghiệm Tốc độ Điện Tốc độ Tần số THD Điện áp Tốc độ Tần số THD đặt áp dây vòng/phút Hz (%) dây (V) vòng/phút Hz (%) (V) 150 150 5,2 4,3 19 148 5,2 4,95 20 500 500 17,2 4 50 495 17,2 4,2 55 1450 1450 50 3,89 155 1445 50 4 160 IV. KẾT LUẬN Trong đề tài, sử dụng kỹ thuật điều chế vector không gian để điều khiển biến tần theo nguyên lý V/f để cung cấp cho tải như đã thực hiện. Kết quả mô phòng và thực nghiệm được thực hiên trên tải động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc đã được trình bày ở phần trước cho thấy bộ biến tần đã điều khiển tốc độ động cơ ở chế độ không tải gần bằng tốc độ đặt, động cơ được điều khiển khởi động mềm theo thời gian đặt trước, dòng 3 pha trên stator có dạng hình sin và tổng sóng hài THD của dòng điện < 5%. 7
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO [ 1] Nguyễn Văn Nhờ, “Giáo trình Điện Tử International Journal of Advanced Công Suất 1” NXB Đại học Quốc gia Research in Electrical, Electronics and TP.HCM, 2002 Instrumentation Engineering Vol. 1, Issue [2] Đặng Văn Đào, Trần Khánh Hà, Nguyễn 5, November 2012 Hồng Khanh “ Giáo trính máy điện” Nhà [6] Zhenyu Yu and David Figoli “AC xuất bản giáo dục Induction Motor ControlUsing Constant [3] Nguyễn Minh Chính – Phạm Quốc Hải, V/Hz Principle and Space Vector “Giáo trình Điện Tử Công Suất” PWMTechnique with TMS320C240” NXB Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội, 2007 Digital Signal Processing SolutionsApril [3] Ths. Nguyễn Hoàng Hải – Ths. Nguyễn 1998 Việt Anh “Lập trình Matlab và ứng [7] Devraj Jee, Nikhar Patel “V/f CONTROL dụng”_Nhà xuất bản Khoa Học Kỹ Thuật OF INDUCTION MOTOR DRIVE” [4] B.N.Kartheek, P.S.D.M.Chandana, Department of Electrical Engineering S.Niveditha “An Optimized Code for National Institute of Technology Space Vector PWM for A Two Level Rourkela-769008 (ODISHA) May-2013 Voltage Source Inverter” International [8] M. S. Aspall, Sunil Kalshetti & P. V. Journal of Science and Modern Hunagund “Speed Control of 3 ∅ Engineering (IJISME)ISSN: 2319-6386, Induction Motor Using Volts Hertz Volume-1, Issue-5, April 2013. Control Method” International Journal of [5] M.S.Aspalli, Asha.R, P.V. Hunagund Electronics Engineering, 3 (2), 2011, pp. “THREE PHASE INDUCTION MOTOR 231– 236. DRIVE USING IGBTs AND CONSTANT V/F METHOD” Thông tin liên hệ tác giả chính (ngƣời chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Đỗ Văn Thành Đơn vị: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Điện thoại: 0988 321 091 Email:dovanthanh200789@gmail.com 8
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.