Luận văn Điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ ba pha cấp nguồn bằng bộ biến tần đa bậc với kỹ thuật một trạng thái và kỹ thuật sóng mang cổ điển triệt tiêu điện áp common mode của biến tần (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ ba pha cấp nguồn bằng bộ biến tần đa bậc với kỹ thuật một trạng thái và kỹ thuật sóng mang cổ điển triệt tiêu điện áp common mode của biến tần (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ THANH TƯỜNG ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA CẤP NGUỒN BẰNG BỘ BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI KỸ THUẬT MỘT TRẠNG THÁI VÀ KỸ THUẬT SÓNG MANG CỔ ĐIỂN TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON MODES K C 0 0 3 9 5 9 CỦA BIẾN TẦN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 605270 S KC 0 0 3 5 9 9 Tp. Hồ Chí Minh, 2012
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ THANH TƢỜNG ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG TRƢỜNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA CẤP NGUỒN BẰNG BỘ BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI KỸ THUẬT MỘT TRẠNG THÁI VÀ KỸ THUẬT SÓNG MANG CỔ ĐIỂN TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON MODE CỦA BIẾN TẦN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 605270 Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 08/2012
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Võ Thanh Tƣờng Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 13/01/1979 Nơi sinh: Tiền Giang Quê quán: Tiền Giang Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 36 đƣờng 06, khu phố 5, phƣờng Trƣờng Thọ, quận Thủ Đức, thành phố Hồ Chí Minh. Điện thoại cơ quan: 08.38960727 Điện thoại nhà riêng: 0908486872 E-mail: thanhtuongvo@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 9/1997 đến 2/2002 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, tại Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử Tên đồ án tốt nghiệp: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH GIAO TIẾP GIỮA KÍT VÀ KÍT Ngày & nơi bảo vệ đồ án: tháng 2 năm 2002, tại trƣờng Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Võ Tấn Thông 2. Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ 2/ 2009 đến 2/2011 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tại Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật điện tử Tên luận văn: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG TRƢỜNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA CẤP NGUỒN BẰNG BỘ BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI KỸ THUẬT MỘT TRẠNG THÁI VÀ KỸ THUẬT SÓNG MANG CỔ ĐIỂN TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON MODE Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 28/10/2012, tại Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS. NGUYỄN VĂN NHỜ
4. 3. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Anh văn, trình độ B1 theo chuẩn châu Âu. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm - Giám sát thi công điện 2/2002 – Công ty SGE Việt Nam 12/2004 12/2004 đến Công ty cổ phần sữa VIỆT NAM - Kiểm tra dây chuyền nay VINAMILK sản xuất XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN Ngày 2 tháng 11 năm 2012 (Ký tên, đóng dấu) Ngƣời khai ký tên
5. Luận văn tốt nghiệp LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TP. Hồ Chí Minh, ngày30 tháng 08 năm 2012 Ngƣời viết Võ Thanh Tường i
6. Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng, nay tôi đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp cao học của mình. Để có đƣợc thành quả này, tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ thầy cô, gia đình, đơn vị chủ quản và bạn bè. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ. Ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, cung cấp những tài liệu quan trọng, định hƣớng và sửa chữa những thiếu sót trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn này. Trong thời gian tham gia học tập và nghiên cứu tại Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh, tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ của quý Thầy Cô, Phòng Đào tạo sau Đại học của trƣờng đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành khoá học của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong Khoa Điện Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh và quý Thầy, Cô Trƣờng Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh đã tận tình dạy học trong suốt quá trình học tập tại trƣờng. Tôi xin cảm ơn những lời thăm hỏi, sự giúp đỡ và động viên nhiệt tình của các anh chị học viên trong lớp cao học ngành Kỹ thuật điện tử và nhất là gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập tốt. Xin chân thành cảm ơn! Học viên thực hiện Võ Thanh Tường ii
7. Luận văn tốt nghiệp TÓM TẮT Luận văn này trình bày phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC) với kỹ thuật PWM 1 trạng thái có triệt tiêu điện áp common mode của biến tần 11 bậc NPC điều khiển động cơ không đồng bộ . Dựa vào các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lƣu NPC 11 bậc để xác định điện áp CM bằng không. Phƣơng pháp CPWM này đã triệt tiêu điện áp CM và điều khiển đáp ứng tốc độ nhanh . Ngoài ra còn có đƣa ra phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC) với kỹ thuật sóng mang PWM cổ điển có triệt tiêu điện áp common mode của biến tần 11 bậc NPC để đánh giá kết quả thu đƣơc .Tất cả các kết quả mô phỏng trong luận văn thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink. ABSTRACT This thesis presents a method of Field Oriented Control(FOC) with a Novel Single- State PWM Technique for Common-Mode Voltage Elimination in eleven-level Neutral Point Clamped (NPC) inverter controlled induction motor based on the proposed switching the states of the eleven-level NPC inverter. The proposed technique has shown that the CM voltage is eliminated the torque response of the motor is fast. Besides, this thesis also presents a method of Field Oriented Control(FOC) with carrier PWM method for Common-Mode Voltage Elimination in eleven-level Neutral Point Clamped (NPC) inverter controlled induction motor to evaluate the proposed technique. All of the simulative results are performed by Matlab/Simulink. iii iii iii
8. Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC Trang tựa Trang LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH SÁCH CÁC HÌNH ix DANH SÁCH CÁC BẢNG xiv Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4 1.3 Đối tƣợng và mục đích đề tài 5 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài 5 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 6 Chƣơng 2. CÁC BỘ NGHỊCH LƢU ÁP ĐA BẬC VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 7 2.1 Cấu trúc bộ nghịch lƣu áp 7 2.1.1 Bộ nghịch lƣu đa bậc chứa cặp đi-ốt kẹp NPC 7 2.1.2 Bộ nghịch lƣu đa bậc dạng tụ thay đổi 9 2.1.3 Bộ nghịch lƣu đa bậc Cascade 10 2.2 Các phƣơng pháp điều khiển bộ nghịch lƣu đa bậc 12 2.2.1 Kỹ thuật điều chế sóng mang CPWM 14 2.2.1.1 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung sin 15 2.2.1.2 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung cải biến SFO-PWM 17 2.2.1.3 Các dạng sóng mang trong kỹ thuật điều chế PWM 19 2.2.1.4 Nhận xét 21 2.2.2 Phƣơng pháp điều chế véc-tơ không gian 21 2.2.2.1 Khái niệm véc-tơ không gian 21 2.2.2.2 Véc-tơ không gian của bộ nghịch lƣu áp đa bậc 22 iv iv
9. Luận văn tốt nghiệp 2.2.3 Phƣơng pháp Carrier Base – SVPWM 26 2.2.3.1 Khối tạo Hàm Offset 26 2.2.3.2 Hàm Max, Mid, Min, Interger 26 2.2.3.3 Khối khoá thời gian k1, k2, k3 27 2.2.3.4 Hàm offset tối ƣu 28 2.2.3.5 Chọn Mode PWM 28 2.2.3.6 Khối tạo tín hiệu tích cực 29 2.2.3.7 Điều chế dƣới mở rộng 29 2.2.3.8 Điều chế ngoài mở rộng 30 2.3 Phân tích bộ nghịch lƣu ba pha 32 2.4 Kỹ thuật điều khiển cho bộ nghịch lƣu áp ba pha 11 bậc 34 Chƣơng 3. CÁC VẤN ĐỀ VÀ PHƢƠNG PHÁP TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON MODE CHO BIẾN TẦN ĐA BẬC 36 3.1 Vấn đề điện áp CM 36 3.2 Kỹ thuật PWM 1 trạng thái và triệt tiêu điện áp common mode của biến tần37 3.3 Kỹ thuật PWM cổ điển và triệt tiêu điện áp common mode của biến tần 42 3.4 Mô phỏng tổng quát trong Matlab/Simulink các phƣơng pháp 47 3.4.1 Mô phỏng phƣơng pháp 1(1 trạng thái) trong Matlab/simulink 47 3.4.2 Mô phỏng phƣơng pháp 2(PWM cổ điển) trong Matlab/simulink 54 3.4.3 Nhận xét 57 Chƣơng 4. ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG TRƢỜNG(FOC)ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VỚI KỸ THUẬT PWM 1 TRẠNG THÁI VÀ KỸ THUẬT PWM CỔ ĐIỂN TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON MODE 58 4.1 Giới thiệu phƣơng pháp điều khiển FOC 58 4.1.1Các phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng từ thông Rotor 58 4.1.2 Biểu diễn véc-tơ không gian trong hệ tọa độ từ thông Rotor 59 4.1.3 Thuật toán và cấu trúc phƣơng pháp FOC 61 4.1.4 Bộ điều khiển PID 64 4.2 Mô hình trạng thái động cơ động cơ không đồng bộ 66 v v
10. Luận văn tốt nghiệp 4.2.1 Xây dựng véc-tơ không gian 67 4.2.2 Hệ trục tọa độ quay 69 4.2.3 Các phƣơng trình của động cơ không đồng bộ ba pha 71 4.2.4 Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ stato 73 4.2.5 Xây dựng mô hình ĐCKĐB trên hệ từ thông roto 75 4.3 Mô phỏng điều khiển FOC với kỹ thuật PWM 1 trạng thái và triệt tiêu điện áp CM của biến tần 11 bậc 76 4.4 Mô phỏng điều khiển FOC với kỹ thuật PWM cổ điển và triệt tiêu điện áp CM của biến tần 11 bậc 87 4.5 Nhận xét 92 Chƣơng 5. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 94 5.1 Đánh giá kết quả đạt đƣợc 94 5.2 Những vấn đề tồn tại của đề tài 94 5.3 Hƣớng phát triển của đề tài 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 PHỤ LỤC 97 A.Phƣơng pháp 1 97 B.Phƣơng pháp 2 101 C.Các giá trị khai báo mô phỏng 103 vi vi
11. Luận văn tốt nghiệp DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT CM Common Mode (Kiểu chung) MI Multilevel Inverter (Bộ nghịch lƣu đa bậc) EMI Electromagnetic Interference (Nhiễu điện từ) NPC Neutral Point Clamped Multilevel Inverter (Bộ nghịch lƣu đa bậc kiểu đi-ốt kẹp) FOC Field Oriented Control (Phƣơng pháp điều khiển từ thông tựa theo từ thông roto) DTC DC Direct Torque Control (Điều khiển trực tiếp mommen) SVPWM Direct Current (Dòng điện một chiều) (SVM) Space Vector Pulse Width Modulation (Điều chế độ rộng xung véc-tơ PWM không gian) VSI Pulse Width Modulation (Điều chế độ rộng xung) CSI Voltage Source Inverter (Bộ nghịch lƣu áp) SVC Current Source Inverter (Bộ nghịch lƣu dòng) IGBT Static Var Compensation (Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh) BNL Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor có cực cổng cách ly) SFO Bộ Nghịch Lƣu Switching Frequency Optimum (Kỹ thuật điều rộng xung đóng ngắt tối THD ƣu) CPWM Total Harmonic Distortion (Tổng méo dạng sóng hài ) Carrier Based Pulse Width Modulation (Kỹ thuật Sóng mang điều chế PD độ rộng xung) APOD Phase Dispostion (Các sóng mang bố trí cùng pha) Alternative Phase Opposition Disposition (Hai sóng mang kế tiếp nhau dịch 1800) vii
12. Luận văn tốt nghiệp POD Phase Opposition Disposition (Các sóng mang bố trí đối xứng qua trục chuẩn) IM Induction Motor (Động cơ không đồng bộ) FFT Fast Fourier Transform (Phân tích nhanh chuỗi Fourier) MRAS Model Reference Adaptive Systems (Mô hình điều khiển thích nghi) viii viii viii viii
13. Luận văn tốt nghiệp DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1. Bộ nghịch lƣu NPC ba pha sáu bậc 8 Hình 2.2. Cấu trúc BNL dùng tụ kẹp 10 Hình 2.3. Cấu trúc BNL Cascade 12 Hình 2.4.Nguyên lý kỹ thuật CPWM 14 Hình 2.5. Kỹ thuật CPWM nhiều sóng mang chuẩn và điện áp dây của BNL 11 bậc cascade 15 Hình 2.6. Mối liên hệ giữa m và ma 17 Hình 2.7. Điện áp điều khiển SFO pha A 18 Hình 2.8. Điện áp offset 18 Hình 2.9. Sóng điện áp cực đại 19 Hình 2.10. Sóng điện áp cực tiểu 19 Hình 2.11. Sóng mang dạng PD 20 Hình 2.12. Sóng mang dạng APOD 20 Hình 2.13. Sóng mang dạng POD 21 Hình 2.14. Hình chiếu của véc-tơ v lên ba trục tọa độ 22 Hình 2.15. Giản đồ véc-tơ điện áp bộ nghịch lƣu áp ba bậc 24 Hình 2.17. Giải thuật chính của phƣơng pháp Sóng Điều Chế 26 Hình 2.18. a) Sơ đồ tạo tín hiệu sin chủ đạo vùng quá điều chế m = mmid 31 b) Giải thuật điều chế 2 Mode 31 Hình 2.19. a) Sơ đồ nguyên lý nghịch lƣu áp ba pha 31 b) Mô hình tƣơng đƣơng tức thời 32 c) Mô hình tƣơng đƣơng trung bình 32 d) Sơ đồ xung điều khiển các khóa Sa, Sb, Sc 32 Hình 2.20. Mô hình tải ba pha đối xứng, đấu sao 33 Hình 2.21. Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng quan hệ áp tải và áp nghịch lƣu 34 ix ix
14. Luận văn tốt nghiệp a) Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng áp tức thời 34 b) Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng áp trung bình 34 Hình 2.22. Sơ đồ nguyên lý nghịch lƣu áp ba pha 11 bậc NPC 35 Hình 3.1. Dạng sóng điện áp CM 36 Hình 3.2. Sơ đồ cấu tạo động cơ đo điện áp trục động cơ và đo dòng rò ổ bi 37 Hình 3.3. Giá đỡ ổ bi hỏng do ảnh hƣởng điện áp CM 37 Hình 3.4. Bộ biến đổi 3 cấp 38 . a) Giản đồ các trạng thái véc-tơ và giới hạn của ZCM 43 .b) giãn đồ vecto chia thành 7 vùng ứng với 7 vecto điện áp ZCM 43 Hình 3.5. Phƣơng pháp sóng mang PD PWM đối với biến tần đa bậc: (a) giãn đồ thời gian chuyển đổi; (b) Giãn đồ thời gian chuyển đổi và dãy trạng thái chuyển đổi dƣới điều kiện 41 Hình 3.6. Thuật toán PWM 1 trạng thái với điện áp ZCM X=A, B, C 41 Hình 3.7. Sơ đồ tổng quát bộ nghịch lƣu ba bậc NPC 42 Hình 3.8. a) Giản đồ các trạng thái véc-tơ điện áp nghịch lƣu 3 bậc b) Giản đồ các trạng thái véc-tơ điện áp nghịch lƣu 3 bậc ZCM 43 Hình 3.9. Giản đồ chuyển trạng thái (111, 201, 210) 44 Hình 3.10. Dạng sóng điện áp pha x+ và x- 45 Hình 3.11. Sơ đồ trạng thái đóng ngắt dạng sóng PS 46 Hình 3.12. Sơ đồ mô phỏng tổng quát phƣơng pháp 1 trạng thái 47 Hình 3.13. Sơ đồ khối tạo nguồn 3 pha 48 Hình 3.14. khối xử lý 1 trang thái và triệt tiêu áp common mode 48 Hình 3.15. Sơ đồ bộ nghịch lƣu 11 bậc NPC 49 Hình 3.16. Dạng sóng thử giải thuật 50 Hình 3.17. Dạng sóng sau khi công offset 50 Hình 3.18a. Điện áp nghịch lƣu 3 pha 51 Hình 3.18b. Điện áp nghịch lƣu pha a 51 Hình 3.19. Điện áp CM đã triệt tiêu uN0’ 52 Hình 3.20. Phân tích FFT và THD điệp áp tảiUta’ 52 Hình 3.21. Phân tích FFT và THD điệp áp dây uab 53 x x
15. Luận văn tốt nghiệp Hình 3.22. Phân tích FFT và THD áp nghịch lƣu Uao 53 Hình 3.23. Sơ đồ mô phỏng tổng quát phƣơng pháp PWM cổ điển 54 Hình 3.24. khối xử lý phƣơng pháp PWM cổ điển và triệt tiêu áp common mode 54 Hình 3.25. Dạng sóng thử giải thuật pp PWM cổ điển 55 Hình 3.26. Dạng sóng sau khi cộng offset 55 Hình 3.27a. Điện áp nghịch lƣu 3 pha 56 Hình 3.27b. Điện áp nghịch lƣu pha a 56 Hình 3.28. Điện áp CM đã triệt tiêu uN0’ 57 Hình 4.1. Vector dòng is trong không gian với các thành phần a, b, c 67 Hình 4.2. Dòng điện stator is trong hệ (a, b, c) và ( ,  ). 60 Hình 4.3. Dòng điện stator is trong hệ ( ,  ) và (d, q). 60 Hình 4.4. Cấu trúc cơ bản của phƣơng pháp FOC. 61 Hình 4.5. Dòng điện, điện áp và từ thông rotor trên hệ tọa độ (d,q). 63 Hình 4.6. .Cấu trúc bộ điều khiển PID 64 Hình 4.7. Hệ thống điều khiển vòng kín 65 Hình 4.8. Sơ đồ cuộn dây và dòng điện stato của động cơ không đồng bộ 67 Hình 4.9. Thiết lập véc-tơ không gian từ các đại lƣợng pha 68 Hình 4.10. Véc-tơ không gian điện áp stato u s tƣơng quan giữa hệ tọa độ  và tọa độ ba pha a, b, c 69  Hình 4.11. Chuyển hệ tọa độ cho véc-tơ không gian u s từ hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq và ngƣợc lại 70 Hình 4.12. Mô hình đơn giản động cơ không đồng bộ ba pha 71 Hình 4.13. Giản đồ véc-tơ từ thông stato và véc-tơ từ thông roto 76 Hình 4.14. Mô hình mô phỏng FOC – CPWM 1 trạng thái bộ nghịch lƣu 11 bậc NPC ZCM 77 Hình 4.15. Từ thông đặt 77 Hình 4.16. Tốc độ đặt 78 xi xi
16. Luận văn tốt nghiệp Hình 4.17. Sơ đồ khối MTi 78 Hình 4.18. Sơ đồ khối CTDu 78 Hình 4.19. Sơ đồ khối single step and CMZ 79 Hình 4.20. Sơ đồ khối CTDu1 79 Hình 4.21. Sơ đồ khối CTDu2 80 Hình 4.22. Sơ đồ khối MTu 80 Hình 4.23. Sơ đồ khối ĐCKĐB 81 Hình 4.24. Sơ đồ khối HTD-CD 81 Hình 4.25. Sơ đồ khối biến tần 82 Hình 4.26. Đáp ứng từ thông stato ƣớc lƣợng 82 Hình 4.27. Sai số đáp ứng từ thông stato ƣớc lƣợng 82 Hình 4.28. Đáp ứng tốc độ động cơ 83 Hình 4.29.Đáp ứng từ thông,moment,tốc độ động cơ 83 Hình 4.30. Điện áp nghịch lƣu 3 pha 84 Hình 4.31. Điện áp nghịch lƣu pha a 84 Hình 4.32. Điện áp tải 3 pha 85 Hình 4.33. Điện áp tải pha a 85 Hình 4.34. Điện áp dây 3 pha 86 Hình 4.35. Điện áp dây pha a 86 Hình 4.36. Điện áp common mode đã bị triệt tiêu 87 Hình 4.37. Khối CMZ với kỹ thuật PWM cổ điển 87 Hình 4.38. Đáp ứng từ thông stato ƣớc lƣợng 87 Hình 4.39. Sai số đáp ứng từ thông stato ƣớc lƣợng 88 Hình 4.40. Đáp ứng tốc độ động cơ 88 Hình 4.41.Đáp ứng từ thông,moment,tốc độ động cơ 88 Hình 4.42. Điện áp nghịch lƣu 3 pha 89 Hình 4.43. Điện áp nghịch lƣu pha a 89 Hình 4.44. Điện áp tải 3 pha 90 Hình 4.45. Điện áp tải pha a 90 xii
17. Luận văn tốt nghiệp Hình 4.46. Điện áp dây 3 pha 91 Hình 4.47. Điện áp dây pha a 91 Hình 4.48. Điện áp common mode đã bị triệt tiêu 92 Hình 4.49. Đáp ứng từ thông,tốc độ, moment và dòng khi đóng tải 93 xiii xiii xiii xiii
18. Luận văn tốt nghiệp DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1. Trạng thái đóng ngắt của BNL ba pha sáu bậc NPC 9 Bảng 3.1. Dãy trạng thái biến đổi 39 Bảng 3.2. Vec tơ điện áp ngõ ra CMZ trong phƣơng pháp PWM 1 trạng thái 40 Bảng 3.3. Phân tích chuỗi trạng thái trong vùng tam giác (111, 201, 210) 44 Bảng 3.4. T Trạng thái các séc-tơ trong giản đồ véc-tơ không gian hình 3.5 45 xiv xiv xiv
19. Chương 1. Tổng quan Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, các bộ nghịch lƣu hai bậc đƣợc sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp và dân dụng. Bên cạnh các ƣu điểm đạt đƣợc, các bộ nghịch lƣu hai bậc còn có những hạn chế nhƣ chất lƣợng điện áp ra không cao và giới hạn ở phạm vi ứng dụng công suất nhỏ. Chính vì vậy, các bộ nghịch lƣu đa bậc MI (Multilevel Inverter) đã đƣợc nghiên cứu và phát triển. Các bộ nghịch lƣu đa bậc không chỉ đƣợc sử dụng trong truyền động điện công suất lớn, các bộ lọc tích cực mà còn đƣợc sử dụng trong các hệ thống nguồn năng lƣợng mới nhƣ năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió, fuel cell, So với bộ nghịch lƣu hai bậc truyền thống, các bộ nghịch lƣu đa bậc có các ƣu điểm nhƣ có thể hoạt động ở tần số đóng ngắt cao, công suất lớn, điện áp ra ít bị biến dạng, điện áp đặt trên từng linh kiện giảm và ít gây ra nhiễu điện từ EMI (Electromagnetic Interference). Từ khi Nabae, Takahashi và Akagi giới thiệu bộ nghịch lƣu đa bậc NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter) vào năm 1981. Đến nay đã có nhiều dạng cấu trúc của bộ nghịch lƣu đa bậc đƣợc nghiên cứu và phát triển. Các dạng cấu trúc cơ bản thƣờng gặp là dạng Cascade H-Bridge Inverter với nguồn một chiều riêng, dạng đi-ốt kẹp (Diode Clamped Multilevel Inverter), dạng tụ kẹp (Capacitor Clamped) và cấu trúc lai (Hybrid Multilevel Inverter).Trong đó cấu hình NPC là cấu hình đƣợc sử dụng phổ biến nhất. Trong các ứng dụng truyền động điện, các bộ nghịch lƣu hai bậc truyền thống và các bộ nghịch lƣu đa bậc đều gặp phải hạn chế là xuất hiện điện áp common mode (CM) giữa hai điểm trung tính tải và trung tính nguồn. Điện áp CM làm xuất hiện dòng điện rò chạy trên các trục của động cơ. Dòng điện này sẽ làm nóng các trục động cơ, làm cho các ổ bi bị bào mòn dẫn đến việc giảm tuổi thọ và gây ra nhiễu điện từ EMI [4-7].Có nhiều phƣơng pháp để giảm ảnh hƣởng của điện áp CM 1
20. Chương 1. Tổng quan đã đƣợc nghiên cứu và công bố nhƣ phƣơng pháp dùng mạch lọc thụ động RC, RLC mắc song song với tải do Von Jouanne đề nghị năm 1996; phƣơng pháp thay đổi cấu trúc của bộ nghịch lƣu bằng cách tăng số nhánh của bộ nghịch lƣu. Bộ nghịch lƣu áp ba pha bốn nhánh đƣợc Oriti giới thiệu vào năm 1997 và Julian năm 1999. Trong đó, ba nhánh sẽ đƣợc điều khiển bình thƣờng, nhánh thứ tƣ đƣợc điều khiển để giảm điện áp CM. Năm 1999, Von Jouanne and Zhang giới thiệu cấu trúc Dual Bridge Inverter (DBI). Các phƣơng pháp vừa trình bày đƣợc sử dụng trong các bộ nghịch lƣu hai bậc truyền thống với các ƣu điểm là giảm đƣợc điện áp CM, dòng rò, hiệu suất cao. Tuy nhiên, các phƣơng pháp trên có các khuyết điểm là phải thêm các phần cứng làm cho bộ nghịch lƣu trở nên cồng kềnh, chi phí đắt. Năm 1998, Ratnayake and Murai, Haoran Zhang, Annette Von Jouance, Shaoan Dai giới thiệu phƣơng pháp điều khiển cho bộ nghịch lƣu áp ba bậc NPC trong đó chỉ sử dụng các trạng thái mà tại đó điện áp CM là zero để triệt tiêu điện áp CM. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là có thể giảm hoặc triệt tiêu điện áp CM bằng giải thuật điều khiển mà không cần bổ sung hoặc thay đổi cấu trúc bộ nghịch lƣu. Phƣơng pháp này có thể áp dụng cho các bộ nghịch lƣu đa bậc vì trong cấu này tồn tại các trạng thái sao cho điện áp CM là zero. Phƣơng pháp triệt tiêu điện áp CM dung phƣơng pháp 1 trạng thái và nhiều trạng thái cho bộ nghịch lƣu đa bậc đƣợc tham khảo từ công trình nghiên cứu của Nguyễn Văn Nhờ và Hong Hee Lee “Analysis of Carrier PWM Method for Common Mode Elimiation in Multilevel Inverter ” [8-9]. Dựa trên công trình đó, trong luận văn này tác giả trình bày phƣơng pháp triệt tiêu CM cho biến tần đa bậc NPC cấp nguồn cho động cơ không đồng bộ. Chính vì những lý do trên, trong luận văn trình bày phƣơng pháp điều khiển động cơ không đồng bộ cấp nguồn bằng bộ biến tần với kỹ thuật triệt tiêu CM. Trong lĩnh vực điều khiển động cơ, động cơ không đồng bộ dễ chế tạo, giá thành rẻ nhƣng điều khiển chính xác tốc độ động cơ không đồng bộ rất khó khăn. Nhờ sự phát triển của vi xử lý nên việc áp dụng các phƣơng pháp điều khiển phức tạp vào điều khiển động cơ không đồng bộ ngày càng trở nên dễ dàng hơn. 2
21. Chương 1. Tổng quan Có rất nhiều phƣơng pháp điều khiển động cơ không đồng bộ. Tuy nhiên, vấn đề đặt ra cho hệ truyền đồng điện điều khiển động cơ xác lập nhanh và quá độ trong khoảng thời gian cho phép. Có các phƣơng pháp điều khiển sau:  Phƣơng pháp điều khiển U/f.  Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC).  Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC). . Phƣơng pháp U/f: là phƣơng pháp điều khiển đơn giản và phổ biến trong phần lớn các ứng dụng trong công nghiệp. Điểm đặc biệt của phƣơng pháp này là mối quan hệ giữa điện áp và tần số là một hằng số. Cấu trúc của mạch thì đơn giản và thƣờng sử dụng dạng không có phản hồi tốc độ. Tuy nhiên, phƣơng pháp điều khiển này có đáp ứng tốc độ và momen độ chính xác không cao. . Phƣơng pháp FOC: là kỹ thuật đƣợc sử dụng phổ biến với hiệu suất cao trong việc điều khiển động cơ vì từ thông và moment có thể đƣợc điều khiển độc lập. FOC là phƣơng pháp điều khiển dòng stator chủ yếu dựa vào biên độ và góc pha và đặc trƣng là các vector. Điều khiển này cơ bản dựa vào sự tham chiếu về thời gian và tốc độ trên hệ trục d – q, đây là hệ trục bất biến. Sự tham chiếu này nhằm mục đích để hƣớng việc khảo sát động cơ KĐB thành việc khảo sát của động cơ DC. . Phƣơng pháp DTC: từ thông và momen điện từ đƣợc điều khiển trực tiếp và độc lập bằng cách chọn chế độ chuyển mạch tối ƣu cho bộ nghịch lƣu nguồn áp dựa trên sai biệt giữa giá trị đặt và giá trị ƣớc lƣợng từ các khâu tính toán hồi tiếp về của momen và từ thông. Mặt khác, ta có thể điều khiển trực tiếp trạng thái của bộ nghịch lƣu PWM thông qua các tín hiệu điều khiền đóng ngắt các khóa công suất nhằm mục đích giảm sai số momen và từ thông trong phạm vi cho phép đƣợc xác định trƣớc. Trong các phƣơng pháp thì phƣơng pháp điều khiển FOC có nhiều ƣu điểm so với các phƣơng pháp khác nhƣ:  Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng từ thông FOC đƣợc sử dụng phổ biến và có hiệu quả với khả năng điều khiển tách biệt hai thành phần từ thông và 3
22. S K L 0 0 2 1 5 4