GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Các yêu cầu kỹ thuật và thách thức đối với biến tần trung thế
Biến tần trung thế ( 1000 V) đối mặt với những yêu cầu kỹ thuật và thách thức khác biệt so với biến tần hạ thế Một số vấn đề trong truyền động trung áp cần được giải quyết, trong khi đó không phải là mối quan tâm đối với truyền động hạ áp Các yêu cầu và thách thức này có thể được phân loại thành bốn nhóm, trong đó có yêu cầu liên quan đến chất lượng nguồn phía lưới của biến tần.
Biến đổi phía động cơ đối mặt với bốn thách thức chính, bao gồm những hạn chế của các van bán dẫn và các yêu cầu khắt khe về hệ thống truyền động.
Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát của biến tần trung thế [9]
1.1.1 Yêu cầu phía nguồn cấp
1 Méo dòng điện: Mạch chỉnh lưu thường gây ra méo dòng điện lưới đầu vào từ nguồn cung cấp và nó cũng gây méo dạng sóng điện áp Méo dòng điện và dạng sóng điện áp có thể gây ra nhiều vấn đề như quá trình điều khiển máy tính xử lý trong công nghiệp, quá nhiệt của máy biến áp, lỗi thiết bị, mất dữ liệu máy tính và sự cố trong truyền thông giữa các thiết bị
Hình 1.2 Sự méo dạng dòng điện và điện áp với chỉnh lưu 6 xung và 12 xung [12]
2 Hệ số công suất đầu vào: Hệ số công suất đầu vào cao là yêu cầu chung cho tất cả các thiết bị điện Hầu hết các nhà cung cấp điện yêu cầu khách hàng sử dụng điện có hệ
Để tránh bị phạt, các biến tần trung thế cần có công suất từ 0.9 trở lên Yêu cầu này rất quan trọng do dải công suất cao của biến tần trung thế.
3 Cộng hưởng LC: Với biến tần trung thế sử dụng tụ lọc để giảm tác động của sóng hài dòng điện và bù hệ số công suất, tụ lọc này cùng với điện cảm của hệ thống tạo nên mạch cộng hưởng LC Hiện tượng cộng hưởng này gây ra quá điện áp có thể phá hủy thiết bị chuyển mạch và các phần tử khác trong các mạch chỉnh lưu Vì vậy vấn đề cộng hưởng LC cần được tính đến khi thiết kế hệ thống truyền động
1.1.2 Những thách thức phía động cơ
1 Tốc độ biến thiên điện áp dv/dt và sóng phản xạ: Tốc độ chuyển mạch nhanh của các van bán dẫn làm cho tốc độ biến thiên điện áp dv/dt tăng cao tại sườn lên và sườn xuống của dạng sóng điện áp đầu ra nghịch lưu Tùy thuộc vào độ lớn của điện áp một chiều và tốc độ của van bán dẫn, tốc độ biến thiên điện áp dv / dt có thể vượt quá 10000 s
Tốc độ biến thiên điện áp cao có thể nhanh chóng phá hủy lớp cách điện giữa các cuộn dây động cơ do hiện tượng phóng điện Ngoài ra, nó còn gây ra nhiễu điện từ, ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử gần cáp kết nối giữa động cơ và biến tần.
2 Điện áp Common – mode (CM): Hoạt động chuyển mạch của các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu thường gây ra điện áp Common - mode Điện áp Common – mode về cơ bản là điện áp thứ tự không được xếp chồng với nhiễu chuyển mạch
Trong hệ thống xoay chiều ba pha, điện áp Common-mode được xác định là điện áp giữa đất và trung tính của tải ba pha Đối với tải là động cơ xoay chiều, điểm trung tính là trung tính stato của động cơ Trong một hệ thống ba pha cân bằng, tổng điện áp ba pha trung tính bằng 0, do đó, điện áp Common-mode có thể được xác định một cách chính xác.
Trong hệ thống điện ba pha, khi tải được cân bằng, tổng điện áp ba pha – trung tính bằng 0 ( V a , b , c N 0) Nếu nguồn cung cấp cũng được coi là cân bằng và lý tưởng, điện áp ba pha - đất cũng bằng 0 ( V a , b , c G 0) Điều này cho thấy rằng một động cơ xoay chiều ba pha cân bằng hoạt động dưới sự điều khiển của nguồn xoay chiều ba pha cân bằng, dẫn đến điện áp Common-mode V N G 0.
Trong trường hợp sử dụng biến tần xoay chiều điều khiển, điện áp Common-mode có thể xuất hiện do nghịch lưu nguồn áp không phải là nguồn cân bằng lý tưởng Hình 1.3 minh họa cấu trúc của một bộ biến tần nguồn áp hai cấp được dùng để điều khiển máy điện xoay chiều.
Hình 1.3 Biến tần 2 cấp điều khiển động cơ điện xoay chiều [14]
Trong hệ thống biến tần điều khiển, điện áp Common-mode (V com hoặc V N - G) có thể được xác định là điện áp giữa trung tính stato (N) và điểm giữa của DC bus (M).
Trong phương trình (1.2) cần lưu ý rằng điện áp nguồn được thay đổi từ V a , b , c G thành
V u , , để phản ánh nguồn thực tế hiện nay là nguồn nghịch lưu
Hình 1.4 Điện áp common – mode của biến tần 2 cấp [14]
Trong hệ thống truyền động trung thế, việc loại bỏ điện áp Common-mode là rất quan trọng Nếu không giải quyết vấn đề này, động cơ có thể gặp hư hỏng, dẫn đến gián đoạn trong quá trình sản xuất.
3 Giảm tải động cơ: Biến tần công suất cao có thể sinh ra lượng lớn sóng hài điện áp và dòng điện Những sóng hài này gây ra tổn thất năng lượng trên cuộn dây động cơ và trong lõi sắt từ Do đó, động cơ giảm hiệu suất và hoạt động không hết công suất của nó
Các cấu trúc cơ bản của các bộ nghịch lưu sử dụng trong biến tần đa cấp
Trong công nghiệp, có ba cấu trúc chính của bộ nghịch lưu được sử dụng trong biến tần đa cấp: Nghịch lưu điốt kẹp (Neutral Point Clamped - NPC), nghịch lưu tụ tự do (Flying Capacitor) và nghịch lưu cầu H nối tầng với nguồn.
DC cách ly (Cascaded H-bridge Multilevel Inverter)
1.2.1 Bộ nghịch lưu điốt kẹp – NPC Đây là cấu trúc của bộ biến đổi nguồn áp có ứng dụng quan trọng trong việc chuyển đổi từ nguồn một chiều thành nguồn điện áp cao Cấu trúc bộ biến đổi điốt kẹp là một cấu trúc đa cấp cho phép tạo ra điện áp ở nhiều mức khác nhau bằng việc ghép nối hàng loạt các tụ điện ở phía nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu
Hình 1.5 Một pha của nghịch lưu N cấp điốt kẹp [13]
Một pha bao gồm 2 (N - 1) khóa chuyển mạch và (N - 1)(N - 2) điốt kẹp Điện áp một chiều U dc được phân chia đều cho các tụ điện C1, C2, …, C(N - 1), dẫn đến điện áp ra trên mỗi tụ là U dc /(N - 1).
Cấu trúc nghịch lưu 3 cấp dạng điốt kẹp, như hình 1.6, bao gồm pha A với 4 khóa bán dẫn S1 đến S4 và 4 điốt D1 đến D4 được mắc song song ngược.
D 4 Điện áp vào một chiều của bộ nghịch lưu thường được chia bởi 2 tụ điện nối tầng
C1 và C2 tạo ra điểm trung tính ảo Z khi điện áp E được áp dụng cho mỗi tụ điện, thường là một nửa điện áp nguồn một chiều Vd Các điốt DZ1 cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Điốt chốt điểm trung tính là các điốt nối với điểm trung tính ảo Z Khi cả hai khóa S2 và S3 đều đóng, đầu ra pha A của bộ nghịch lưu sẽ được kết nối với điểm trung tính ảo thông qua một trong hai điốt chốt này.
Hình 1.6 Cấu trúc nghịch lưu điốt kẹp 3 cấp [13]
Trạng thái của các khóa chuyển mạch trong bộ nghịch lưu điốt kẹp 3 cấp được thể hiện ở bảng 1.1 Trạng thái P (Positive) tương ứng với hai khóa chuyển mạch S 1 ,
Trong hệ thống này, khi hai khóa chuyển mạch S2 đều đóng, điện áp ra UAZ đạt giá trị E Ngược lại, trạng thái N (Negative) xảy ra khi S3 và S4 đều đóng, khiến điện áp ra UAZ bằng -E Trạng thái O (zero) được xác định khi S2 và S3 đều đóng, lúc này UAZ bằng 0 do các điốt chốt Dòng điện tải quyết định điốt nào dẫn dòng; ví dụ, với dòng điện tải dương (iA > 0), D Z1 sẽ đóng, kết nối đầu ra pha A với điểm trung tính Z thông qua sự dẫn dòng của D Z1 và S2.
Bảng 1.1 Trạng thái các khóa chuyển mạch trên một pha (pha A)
Trạng thái các khóa chuyển mạch Điện áp ra
Hình 1.7 Chế độ dẫn của nghịch lưu đa cấp điốt kẹp [13]
Các khóa chuyển mạch S1, S3 và S2, S4 hoạt động theo nguyên tắc đối nghịch, nghĩa là khi một khóa đóng thì khóa còn lại sẽ ngắt Hình 1.7 minh họa trạng thái của các khóa chuyển mạch, tín hiệu điều khiển và điện áp ra UAZ có 3 mức: E, 0, và -E Tương tự, điện áp pha UBZ và UCZ cũng có dạng giống UAZ nhưng lệch pha 2π/3 Điện áp dây UAB được tính bằng UAZ - UBZ, sẽ có 5 mức điện áp: 2E, E, 0, -E, và -2E.
Hình 1.8 Trạng thái chuyển mạch và điện áp pha, điện áp dây của bộ nghịch lưu 3 cấp điốt kẹp Ưu điểm:
- Số mức càng lớn thì độ biến dạng sóng hài càng nhỏ
- Tất cả các pha đều được sử dụng chung một nguồn DC
- Công suất phản kháng có thể được điều chỉnh
- Hiệu suất cao ở tần số chuyển mạch cơ bản
- Phương pháp điều khiển khá đơn giản
- Dễ mất cân bằng điện áp giữa các tụ, dẫn đến khó điều khiển dòng công suất thực
- Dòng điện định mức khác nhau cho các van được yêu cầu theo chu lỳ làm việc của chúng
- Số lượng điốt tăng nhanh theo số mức điện áp
1.2.2 Bộ nghịch lưu tụ tự do
Cấu trúc nghịch lưu dùng tụ tự do tương tự như bộ nghịch lưu dùng điốt kẹp, nhưng thay thế các điốt bằng tụ điện Trong hệ thống này, các tụ được kết nối theo dạng thang, tạo ra sự chênh lệch điện áp giữa các nhánh, dẫn đến các cấp điện áp khác nhau ở đầu ra Một lợi ích nổi bật của cấu trúc này là khả năng tạo ra nhiều mức điện áp từ các trạng thái van khác nhau Điều này cho phép lựa chọn tụ phóng nạp phù hợp và kết hợp với hệ thống điều khiển để cân bằng điện áp qua các tụ.
Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc mạch nghịch lưu đa cấp tụ tự do [13]
Xét bộ nghịch lưu có cấu trúc tụ tự do 3 cấp gồm có 12 khóa chuyển mạch, điốt ngược mắc song song và 3 tụ điện thay đổi như hình 1.10
Bộ nghịch lưu cấu trúc tụ tự do 3 cấp tạo ra ba cấp điện áp bằng cách điều khiển các khóa chuyển mạch, đảm bảo chỉ có hai trong bốn khóa ở mỗi pha được đóng tại mọi thời điểm Trạng thái của các chuyển mạch trong bộ nghịch lưu này được trình bày trong bảng 1.2, với sự khác biệt so với bộ nghịch lưu điốt kẹp 3 cấp là có hai trạng thái O tương ứng với S1 đóng và S2 ngắt.
S 1 ngắt và S 2 đóng, cho phép tụ điện nạp hoặc xả tùy thuộc vào chiều dòng điện đi qua Bảng 1.2 trình bày trạng thái chuyển mạch (pha A) của nghịch lưu tụ tự do 3 cấp.
Trạng thái các khóa chuyển mạch U AZ
P Đóng Đóng Ngắt Ngắt E Đóng Ngắt Đóng Ngắt 0
Hình 1.11 Chế độ dẫn của nghịch lưu 3 cấp tụ tự do [13]
Hình 1.12 trạng thái chuyển mạch và điện áp pha, điện áp dây của bộ nghịch lưu 3 cấp tụ tự do
- Khi số mức tăng lên thì hệ số méo sóng hài (Total Harmonic Distortion – THD) càng giảm
- Có thể điều khiển được công suất thực và công suất phản kháng
Trạng thái chuyển mạch dư xuất hiện giúp cân bằng các mức điện áp, từ đó đảm bảo biên độ điện áp đầu ra đạt yêu cầu.
- Số lượng tụ lớn nên cồng kềnh và thường đắt hơn so với điốt kẹp được sử dụng trong nghịch lưu điốt kẹp
- Yêu cầu số lượng lớn tụ dữ trữ
- Điều khiển phức tạp hơn so với điều khiển trong cấu trúc nghịch lưu NPC do yêu cầu cân bằng điện áp trên các tụ
- Hiệu suất truyền tải công suất thực kém
Bộ nghịch lưu cầu H nối tầng một pha, như minh họa trong hình 1.13, được kết nối với nguồn điện áp một chiều DC cách ly Mỗi mức của bộ nghịch lưu có khả năng tạo ra ba giá trị điện áp khác nhau ở đầu ra: +V dc, 0, và -V dc Để tạo ra điện áp +V dc, các van S1 và S4 được mở, trong khi để tạo điện áp -V dc, các van S2 và S3 được mở Khi S1 và S2 hoặc S3 và S4 mở, điện áp ra sẽ bằng 0 Các cầu nghịch lưu một pha được kết nối nối tiếp để tạo ra một điện áp tổng ở một pha, với số cấp điện áp được tạo ra khi mắc nối tiếp m cầu nghịch lưu là (2m+1) Hình 1.14 mô tả bộ nghịch lưu cầu H ba pha nối tầng 11 cấp.
18 Hình 1.13 Cấu trúc một pha của nghịch lưu cầu H nối tầng [13]
Hình 1.14 Cấu trúc nghịch lưu cầu H ba pha nối tầng 11 cấp [5]
Hình 1.15 Dạng sóng điện áp pha đầu ra của nghịch lưu cầu H nối tầng 11 cấp [10]
Bộ nghịch lưu cầu H nối tầng có các ưu điểm và nhược điểm như sau: Ưu điểm:
- Số mức điện áp đầu ra gấp hơn hai lần số nguồn DC đầu vào
- Có cấu trúc dạng mô đun nên dễ đóng gói và bố trí mạch dễ dàng
- Điện áp chuyển mạch của van thấp
- Không có nhiễu điện từ
- Điện áp Common - mode và tốc độ biến thiên điện áp dv / dt thấp
- Nguồn DC cách ly giúp loại bỏ sự cần thiết của mạch cân bằng điện áp
So sới nghịch lưu điốt kẹp và tụ tự do, cùng với nghịch lưu cầu H, yêu cầu số lượng tối thiểu các thành phần để đạt được các mức điện áp tương tự.
Do yêu cầu nguồn DC cách ly nên bị giới hạn trong một số ứng dụng đã có nguồn DC cách ly
Trong bảng 1.3, ba loại nghịch lưu đa cấp được so sánh trên cơ sở các linh kiện yêu cầu
Bảng 1.3 So sánh các linh kiện yêu cầu trên mỗi nhánh của nghịch lưu đa cấp [4]
Tham số Điốt kẹp Tụ kẹp Cầu H nối tầng
Số van (m-1)*2 (m-1)*2 (m-1)*2 Điốt chính (m-1)*2 (m-1)*2 (m-1)*2 Điốt kẹp (m-1)*(m-2) 0 0
Nhận xét
Bộ nghịch lưu áp đa cấp ngày càng phổ biến trong các ứng dụng điện áp trung và cao thế nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật Nó cho phép tăng công suất nghịch lưu, đồng thời giảm điện áp đặt lên các linh kiện, dẫn đến giảm tổn hao công suất trong quá trình đóng cắt Hơn nữa, tần số đóng cắt và các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra cũng thấp hơn so với bộ nghịch lưu hai cấp, mang lại hiệu quả hoạt động tốt hơn.
Trong các cấu trúc bộ nghịch lưu đa cấp, cấu trúc điốt kẹp gặp khó khăn trong việc mở rộng do vấn đề không cân bằng điện áp và số lượng điốt tăng lên theo số mức Bộ nghịch lưu tụ tự do cũng gặp trở ngại vì tụ điện cồng kềnh và kỹ thuật điều khiển phức tạp liên quan đến việc cân bằng tụ điện Ngược lại, bộ nghịch lưu cầu H nối tầng có ưu điểm về khả năng mô đun hóa, dễ bảo trì và đặc biệt có thể hoạt động dưới mức công suất khi một Cell (cầu H) gặp lỗi Do đó, tác giả chọn nghiên cứu biến tần đa cấp với cấu trúc cầu H nối tầng trong luận văn này.
BIẾN TẦN ĐA CẤP CẦU CHỮ H NỐI TẦNG
Phần chỉnh lưu cấp nguồn DC cách ly
Nguồn DC cách ly trong các thiết bị trung thế thường sử dụng cầu chỉnh lưu ba pha, được cấp nguồn xoay chiều từ máy biến áp dịch pha Phần này sẽ trình bày vai trò và ý nghĩa của việc sử dụng máy biến áp dịch pha cùng với chỉnh lưu điốt đa xung.
Biến áp dịch pha là thiết bị thiết yếu trong hệ thống chỉnh lưu đa xung, với ba chức năng chính: dịch chuyển góc pha giữa điện áp cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp để triệt tiêu sóng hài, tạo ra điện áp thứ cấp phù hợp, và cách ly điện giữa chỉnh lưu và nguồn cung cấp Biến áp dịch pha được phân loại thành hai kiểu cấu trúc Y/Z và Δ/Z, trong đó cuộn sơ cấp có thể được mắc theo kiểu Y hoặc Δ, còn cuộn thứ cấp thường được mắc theo kiểu zích zắc (Z) Cả hai cấu trúc này đều có thể áp dụng hiệu quả trong chỉnh lưu đa xung.
Trong phần này, chúng tôi sẽ thảo luận về biến áp dịch pha, bao gồm cấu hình của máy biến áp, thiết kế tỷ số vòng dây và nguyên lý triệt tiêu dòng sóng hài Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu sự méo tín hiệu trong hệ thống điện.
Tùy thuộc vào cách nối dây của máy biến áp, điện áp dây của cuộn thứ cấp có thể nhanh hoặc chậm pha so với điện áp sơ cấp một góc Máy biến áp Y/Z-1 được coi là kiểu nhanh pha, trong khi máy biến áp Y/Z-2 là kiểu chậm pha.
Biến áp dịch pha kiểu Y/Z-1 được mô tả qua hình 2.1, trong đó cuộn dây sơ cấp được nối sao (Y) với N1 vòng mỗi pha Cuộn thứ cấp gồm hai cuộn dây N2 và N3, với N2 được nối tam giác (Δ) và sau đó nối tiếp với N3 Cách sắp xếp này được gọi là kết nối zích zắc (Z) hoặc tam giác mở rộng, tạo ra một góc dịch pha δ được xác định theo sơ đồ pha của biến áp.
(b) Biểu đồ pha Hình 2.1 Biến áp dịch pha kiểu Y / Z 1 [4]
Với V AB và V ab tương ứng là góc pha của điện áp dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp Để xác định tỷ số vòng dây của máy biến áp, ta xét tam giác tạo bởi V Q , V by và V ab trong biểu đồ pha Ta có:
Với V Q là điện áp hiệu dụng trên cuộn N 3 và V by là điện áp pha giữa hai nút b và y Trong hệ thống ba pha cân bằng ta có V by bằng V ax nên (2.2) có thể viết lại như sau:
Từ đó ta có tỷ số vòng dây cuộn thứ cấp là
Với mỗi giá trị nhất định của , có thể xác định được tỷ số
Tương tự mối quan hệ sau đây có thể được suy ra như sau:
Tỷ số vòng dây của máy biến áp được xác định bởi: ax
Thay (2.6) vào (2.7) ta có: ab
Khi N2 giảm xuống 0, cuộn dây thứ cấp chuyển thành nối Y, khiến Vab cùng pha với VAB và dẫn đến δ = 0° Nếu N3 = 0, cuộn dây thứ cấp sẽ trở thành nối dạng Δ.
Do đó góc dịch pha của máy biến áp dịch pha kiểu Y/Z-1 nằm trong khoảng
0 0 đến 30 0 b Máy biến áp kiểu Y / Z 2
Biến áp dịch pha kiểu Y/Z-2 có cấu hình như hình 2.2, trong đó cuộn dây sơ cấp giữ nguyên như biến áp Y/Z-1, còn cuộn dây thứ cấp được nối theo hình thức Δ nhưng theo thứ tự ngược lại Tỷ số vòng dây của máy biến áp này có thể được xác định tương tự như trước.
Góc pha có giá trị âm đối với biến áp Y/Z-2, điều đó chứng tỏ V ab chậm pha V AB một góc như thể hiện trong hình 2.2b [4]
Bảng 2.1 trình bày giá trị đặc trưng của và tỷ số vòng dây của máy biến áp dịch pha kiểu Y/Z, được áp dụng trong chỉnh lưu đa xung Tỷ số điện áp V AB / V ab thường đạt các giá trị 2, 3 và 4, tương ứng với các chế độ chỉnh lưu 12, 18 và 24 xung.
(b) Biểu đồ pha Hình 2.2 Biến áp dịch pha kiểu Y / Z 2[4]
Bảng 2.1 Tỷ số vòng dây của máy biến áp kiểu Y / Z [4]
V tương ứng với chỉnh lưu 12, 18, 24 xung
Chỉnh lưu đa xung nhằm mục đích giảm méo hài của dòng điện đầu vào và tạo ra điện áp đầu ra ổn định thông qua biến áp dịch pha Bằng cách kết nối các chỉnh lưu sáu xung với cuộn dây thứ cấp của biến áp dịch pha, có thể cấu hình chỉnh lưu với 12, 14, 18 xung hoặc nhiều hơn Sự dịch pha của các cuộn dây giúp loại bỏ một số sóng hài bậc thấp do chỉnh lưu sáu xung tạo ra, từ đó giảm méo dạng sóng dòng điện Số lượng xung càng nhiều, méo dạng dòng điện càng giảm Ngoài ra, biến áp dịch pha còn giúp ngăn ngừa điện áp Common-mode, một vấn đề quan trọng đối với động cơ vì nó có thể ảnh hưởng đến cách điện của các cuộn dây động cơ.
Trước khi khám phá về chỉnh lưu đa xung, chúng ta cần xem xét mạch chỉnh lưu sáu xung Hình 2.3 trong tài liệu [4] giới thiệu một mạch chỉnh lưu đa xung, được cấp bởi nguồn điện áp ba pha, với điện áp đầu ra là V d.
Hình 2.3 Chỉnh lưu nguồn áp 6 xung [4]
Dạng sóng của chỉnh lưu sáu xung như hình 2.3 với V a , V b , V c là điện áp pha và
Điện áp dây của chỉnh lưu sáu xung bao gồm V ab, V bc và V ac Trong khoảng thời gian I, V ab cao hơn V ac và V bc, dẫn đến việc điốt 1 và 6 được dẫn Tương tự, trong khoảng thời gian II, V ac vượt trội so với các điện áp khác, dẫn đến việc điốt 1 và 2 được dẫn Tiếp theo, khi V bc cao hơn các điện áp khác, điốt 3 và 2 sẽ được dẫn Điện áp trên tải trở tương ứng với điện áp dây trong khoảng thời gian liên quan, như được thể hiện trong hình 2.4, tài liệu [8].
Vì vậy, điện áp một chiều V d trên điện trở tải có sáu xung trong một chu kỳ Điện áp trung bình này được xác định bởi:
Giá trị hiệu dụng của điện áp dây, ký hiệu là V LL, có thể được sử dụng để tính toán dòng điện dây bằng cách lấy tỷ số giữa điện áp một chiều và điện trở tải.
Hình 2.4 Dạng sóng của chỉnh lưu 6 xung (tải trở) [15]
Dòng điện dây có chu kỳ nhưng không phải dạng sóng hình sin, dẫn đến sự xuất hiện của các sóng hài trong tín hiệu Độ méo dạng sóng, hay còn gọi là Tổng méo dạng hài (Total Harmonic Distortion - THD), có thể được tính toán để đánh giá mức độ biến dạng của dòng điện.
Nghịch lưu đa cấp cầu H nối tầng với nguồn một chiều cách ly
Khi công suất tải lớn, việc duy trì điện áp ra gần hình sin trở nên phức tạp Sự ảnh hưởng của tải tới nguồn lưới, đặc biệt là dòng điện tải gây méo lưới, là đáng kể và không thể bỏ qua Do đó, cần áp dụng các phương pháp khác để đáp ứng đồng thời các yêu cầu kỹ thuật.
Một trong những giải pháp hiệu quả là áp dụng bộ nghịch lưu đa cấp cầu H nối tầng, như được minh họa trong Hình 2.11 với sơ đồ bộ nghịch lưu điện áp ba pha.
Hình 2.11 Nghịch lưu điện áp ba pha nhiều mức dùng mạch cơ sở cầu một pha [1]
Vì tải công suất thường làm việc ở điện áp cao nên cách này đồng thời đạt các hiệu quả:
Việc đấu nối tiếp các bộ nghịch lưu giúp tăng điện áp ra tải mà vẫn giữ điện áp của từng khối nghịch lưu cầu cơ sở ở mức thấp Điều này giúp tránh việc phải đấu nối tiếp các van, điều thường yêu cầu mạch chia áp phức tạp và có thể không an toàn.
Luật điều khiển phối hợp giữa các bộ nghịch lưu cơ sở của một pha giúp tạo ra điện áp ra hình bậc thang nhiều cấp, tiến gần hơn đến hình sin.
- Tần số chuyển mạch van không cần lớn thường dưới 1000 Hz
Nguyên lý chung: Mỗi bộ nghịch lưu cầu H đưa ra tải được ba cấp điện áp E ,
Khi đấu nối tiếp các bộ nghịch lưu cơ sở, điện áp ra sẽ được cộng dồn từ điện áp tức thời của từng bộ, dẫn đến việc điện áp ra tăng theo số lượng bộ được kết nối.
Hình 2.12 Cấu trúc đặc trưng của một Cell công suất (cầu H) [12]
Bảng 2.2 trình bày nguyên tắc điều khiển các van của hai cầu H, trong đó các van thẳng hàng hoạt động theo chế độ đóng/mở luân phiên Hình ảnh chỉ thể hiện trạng thái của bốn van phía trên, trong khi bốn van dưới hoạt động ngược lại Điện áp pha của tải có năm mức: 2E, E, 0, -E, -2E Trong trường hợp tổng quát, số cấp điện áp đầu ra của nghịch lưu là (2m + 1).
Hình 2.13 Nghịch lưu cầu H nối tầng 5 cấp
Bảng 2.2 Nguyên lý chuyển mạch van ở nghịch lưu điện áp 5 cấp
Hình 2.14 minh họa quá trình chuyển mạch giữa các cấp điện áp, với số lượng chuyển mạch giữa các cấp kề nhau được ghi chú rõ ràng Để nghiên cứu sâu hơn về sự chuyển mạch giữa các trạng thái, chúng ta sẽ tập trung vào trường hợp được chỉ định theo đường nét đậm trong hình 2.14.
Hình 2.14 Quá trình chuyển mạch giữa các trạng thái [13]
- Trường hợp 1: Dòng điện tảii A 0 (biểu diễn bằng đường nét đậm)
Bộ nghịch lưu bắt đầu ở trạng thái 1 với các công tắc S 11, S 21, S 12, S 22 dẫn dòng và điện áp ra U AN = 2E Khi S 22 ngắt, S 32 được đóng lại, bộ nghịch lưu chuyển sang trạng thái 4 với U AN = E Tiếp theo, khi S 21 ngắt và S 31 đóng lại, bộ nghịch lưu chuyển sang trạng thái 7 với U AN = 0 Sau đó, bộ nghịch lưu chuyển sang trạng thái 14 khi S 11 ngắt và S 41 đóng lại, tương ứng với U AN = -E Cuối cùng, khi S 12 ngắt và S 42 đóng lại, bộ nghịch lưu chuyển sang trạng thái 16 với U AN = -2E.
- Trường hợp 2: dòng điện tải i A 0 (biểu diễn bằng đường nét đứt)
Tương tự như trường hợp i A 0, quá trình chuyển mạch cũng xảy ra theo chu trình trên nhưng với chiều dòng điện ngược lại
Hình 2.15 Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1 4 7 14 16 với dòng i A 0 (đường nét liền) và i A 0 (đường nét đứt)
Hình 2.16 Dạng điện áp trên mỗi cầu H, điện áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lưu 5 cấp cầu H
Sử dụng ba bộ cầu một pha giống nhau mắc nối tiếp sẽ tạo ra nghịch lưu bảy cấp: 3E, 2E, E, 0, -E, -2E, -3E Nếu sử dụng bốn bộ giống nhau mắc nối tiếp, số cấp nghịch lưu sẽ tăng lên chín cấp.
Hình 2.17 Sơ đồ mạch lực của biến tần trung thế đa cấp cầu H nối tầng (13 cấp) [12]
Hình 2.18 Dạng sóng điện áp pha đầu ra của biến tần trung thế
Dịch chuyển điểm trung tính trong khi Bypass
Biến tần đa cấp cầu chữ H nối tầng có ưu điểm vượt trội là khả năng hoạt động hiệu quả ngay cả khi một Cell bị lỗi Khi xảy ra lỗi ở một Cell trong pha biến tần, quá trình hoạt động không bị ảnh hưởng nghiêm trọng, chỉ giảm điện áp đầu ra Mặc dù điện áp đầu ra giảm, động cơ vẫn tiếp tục hoạt động, mặc dù tốc độ tối đa cũng sẽ giảm Khi tất cả các Cell hoạt động bình thường, điện áp đầu ra đạt mức tối đa Trong trường hợp có Cell lỗi, Contactor Bypass sẽ tự động đóng lại để duy trì hoạt động của biến tần, đồng thời các góc pha điện áp Cell được điều chỉnh để đảm bảo điện áp đầu pha phía động cơ được cân bằng, bất chấp việc điện áp trên các pha nghịch lưu không đồng nhất.
Hình 2.19 Điện áp đầu ra biến tần được điều chỉnh góc pha khi có Cell lỗi [12]
Hình 2.20 Trạng thái hoạt động của biến tần khi có cell bị lỗi [12]
Nếu X là số Cell của biến tần bị lỗi thì điện áp lớn nhất của đầu ra biến tần sau khi Bypass là:
V out là điện áp lớn nhất mà đầu ra biến tần có thể đạt được (V out 1.78*N*V cell )
N là số Cell trên một pha
V cell là điện áp danh định trên mỗi Cell cầu H
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG BIẾN TẦN ĐA CẤP CẦU CHỮ
Điều chế hai cực tính
Hình 3.1 thể hiện sơ đồ cấu trúc đặc trưng của một cầu H Nó bao gồm có hai nhánh nghịch lưu với mỗi nhánh bao gồm hai IGBT
Hình 3.1 Cấu trúc đặc trưng của một cầu H [4]
Điện áp đầu vào V d giữ cố định, trong khi điện áp đầu ra V AB có khả năng điều chỉnh thông qua phương pháp điều chế một cực tính hoặc điều chế hai cực tính.
Hình 3.2 minh họa dạng sóng đặc trưng của nghịch lưu cầu H với điều chế hai cực tính Trong đó, v m là sóng điều chế hình sin, v rc là sóng mang tam giác, và v g 1, v g 3 là hai tín hiệu điều khiển cho các khóa S 1 và S 3 Các khóa trong cùng một nhánh hoạt động theo nguyên tắc một khóa đóng thì một khóa phải ngắt, do đó chỉ cần tạo ra hai tín hiệu điều khiển độc lập v g 1 và v g 3 thông qua việc so sánh v m với v cr Dạng sóng điện áp dây v AB được tính từ điện áp pha v AN và v BN với công thức v AB = v AN - v BN Dạng sóng v AB dao động giữa điện áp một chiều dương và âm V d, dẫn đến việc phương pháp này được gọi là điều chế hai cực tính.
(b) Phổ sóng hài Hình 3.2 Điều chế PWM hai cực tính cho nghịch lưu cầu H [4]
Điều chế một cực tính
Điều chế một cực tính yêu cầu hai sóng sin điều chế v m và v m có cùng tần số và biên độ nhưng lệch pha 180 độ Hai sóng này được so sánh với sóng mang tam giác v cr, tạo ra tín hiệu điều khiển v g 1 và v g 3 cho hai khóa S1 và S3 Khác với điều chế PWM hai cực tính, hai khóa chuyển mạch này không hoạt động đồng thời Điện áp đầu ra nghịch lưu v AB thay đổi giữa hai giá trị 0 và +V d trong nửa chu kỳ dương, và giữa 0 và -V d trong nửa chu kỳ âm Phương pháp này được gọi là điều chế một cực tính.
Hình 3.3 Sóng hài của v AB sinh ra bởi nghịch lưu cầu H với PWM một cực tính [4]
Hình 3.4b hiển thị phổ hài của điện áp đầu ra nghịch lưu v AB, với sóng hài tập trung quanh tần số trung tâm 2 m f và 4 m f Sóng hài bậc thấp, phát sinh từ điều chế hai cực tính m f và m f ± 2, đã được loại bỏ thông qua điều chế một cực tính Hài chủ yếu phân bố quanh tần số m f.
Tần số chuyển mạch nghịch lưu (f_sw, inv) gần 1800 Hz, gấp đôi tần số chuyển mạch van (900 Hz) Nguyên nhân là do nghịch lưu cầu H có hai cặp chuyển mạch bổ sung hoạt động tại tần số 900 Hz, nhưng chúng chuyển mạch vào hai thời điểm khác nhau Điều này dẫn đến f_sw, inv = 2 f_sw, dev.
Sóng hài trội 2mf ± 1 và 2mf ± 3 được tạo ra từ điều chế một cực tính có cùng biên độ với điều chế hai cực tính Điều chế một cực tính có thể thực hiện bằng cách sử dụng một sóng điều chế vm, kết hợp với hai sóng mang vcr và vcr dịch pha nhau Hai sóng mang này có cùng biên độ và tần số nhưng lệch pha 180 độ Khóa S1 được đóng khi vm > vcr, trong khi S3 được đóng khi vm < vcr Kỹ thuật điều chế này thường được áp dụng trong nghịch lưu cầu H nối tầng (Cascaded H Bridge - CHB).
Hình 3.4 Điều chế PWM một cực tính với hai sóng điều chế dịch pha [4]
Phương pháp điều chế độ rộng xung trên cơ sở nhiều sóng mang
Giản đồ kích đóng các công tắc bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:
- Sóng mang tam giác u c (carier signal) tần số cao
Sóng điều khiển u r (sóng tham chiếu) và sóng điều chế (sóng modulating) được so sánh trong mỗi chu kỳ sóng mang để tạo ra mức áp mong muốn Khi tần số sóng mang tăng, lượng sóng hài bậc cao bị khử nhiều hơn Tuy nhiên, việc tăng tần số sóng mang cũng dẫn đến tần số đóng ngắt cao hơn, làm tăng tổn hao trong quá trình đóng ngắt các công tắc Các linh kiện cũng chịu ảnh hưởng từ hiện tượng này.
49 còn đòi hỏi có thời gian đóng t on và ngắt t off nhất định Các yếu tố này hạn chế việc chọn tần số sóng mang
Sóng điều khiển chứa thông tin về trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp đầu ra Đối với bộ nghịch lưu áp ba pha, các sóng điều khiển cần lệch pha nhau 1/3 chu kỳ Trong bộ nghịch lưu áp n cấp, số sóng mang sử dụng là (n - 1), tất cả đều có tần số f c và biên độ đỉnh – đỉnh A c giống nhau Sóng điều chế có biên độ A m và tần số f m, thay đổi xung quanh trục tâm của (n - 1) sóng mang Khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang, linh kiện tương ứng sẽ được kích hoạt, ngược lại, nếu sóng điều khiển nhỏ hơn, linh kiện sẽ bị khóa kích.
Phương án điều chế sóng mang cho nghịch lưu đa cấp được chia thành hai loại chính: Phương pháp điều chế dịch mức (LSMM) và Phương pháp điều chế dịch pha (PSMM) Cả hai phương pháp này đều được ứng dụng hiệu quả trong nghịch lưu cầu H nối tầng.
3.3.1 Phương pháp điều chế dịch pha (PSMM)
Phương pháp nghịch lưu đa cấp với m cấp điện áp đầu ra yêu cầu sử dụng (m - 1) sóng mang tam giác Tất cả các sóng mang này có tần số và biên độ giống nhau, nhưng có sự dịch pha giữa các sóng mang lân cận, được xác định bởi các yếu tố cụ thể.
Sóng điều chế thường là sóng hình sin ba pha, có biên độ và tần số có thể điều chỉnh Tín hiệu điều khiển được sinh ra thông qua việc so sánh sóng điều chế với sóng mang.
Hình 3.5 minh họa nguyên tắc điều chế dịch pha với nghịch lưu CHB bảy cấp, bao gồm sáu sóng mang tam giác và có độ dịch pha 60 độ giữa các sóng mang lân cận Trong đó, sóng điều chế ba pha hình sin được xem xét, tập trung vào sóng điều chế pha A trong sơ đồ.
Hình 3.5 PWM dịch pha với nghịch lưu 7 cấp cầu H [4]
3.3.2 Phương pháp điều chế dịch mức (LSMM)
Trong điều chế dịch pha, nghịch lưu CHB mcấp sử dụng phương pháp điều chế dịch mức cần (m - 1) sóng mang tam giác có cùng tần số và biên độ Các sóng mang này được xếp chồng lên nhau, và chỉ số tần số điều chế được xác định bởi m f = f cr / f m Chỉ số biên độ điều chế vẫn giữ nguyên như trong sơ đồ điều chế dịch pha.
Biên độ đỉnh của sóng điều chế Vˆ m và biên độ đỉnh của sóng mang Vˆ cr là hai yếu tố quan trọng trong điều chế dịch mức Có ba loại điều chế dịch mức phổ biến được sử dụng trong lĩnh vực này.
(a) Bố trí cùng pha (In-Phase Disposition - IPD): Tất cả các sóng mang cùng pha
(b) Sắp xếp các pha xen kẽ đối nhau (Alternative Phase Opposite Disposition – APOD): Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180 0
Sắp xếp các pha ngược nhau (Phase Opposite Disposition - POD) cho thấy rằng các sóng mang trên trục zero sẽ có cùng pha, trong khi các sóng mang nằm dưới trục zero sẽ bị dịch pha.
Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí sóng mang cùng pha (IPD) được đánh giá là có độ sóng hài nhỏ nhất so với hai phương pháp còn lại, theo tài liệu [4,7].
(a) Bố trí cùng pha (IPD)
(b) Sắp xếp các pha xen kẽ đối nhau (APOD)
(c) Sắp xếp các pha ngược nhau (POD) Hình 3.6 Điều chế đa sóng mang dịch mức [6]
Hình 3.7 PWM dịch mức với nghịch lưu 7 cấp cầu H nối tầng [4]
3.3.3 So sánh giữa phương pháp PWM dịch pha và dịch mức
Trong bài viết này, chúng tôi thực hiện một so sánh ngắn gọn giữa hai phương pháp hoạt động ở cùng một tần số chuyển mạch, nhằm đánh giá và lựa chọn phương pháp tối ưu nhất cho luận văn.
Một trong những nhược điểm của LSMM là khoảng thời gian không có chuyển mạch ở một số cầu trên một pha, yêu cầu mô hình chuyển mạch phải xoay vòng giữa các cầu H để đảm bảo phân phối đồng đều chuyển mạch và tổn thất truyền dẫn Điều này giúp duy trì sự cân bằng giữa các nguồn năng lượng cung cấp cho bộ biến đổi Ngược lại, trong hệ thống PSMM, điện áp đầu ra trên mỗi cầu H gần như giống hệt nhau, chỉ khác biệt một độ dịch pha nhỏ, đảm bảo tất cả các thiết bị hoạt động đồng bộ.
Trong hệ thống PSMM, thời gian dẫn và tần số chuyển mạch của 53 suất hoạt động được giữ giống nhau, giúp đơn giản hóa việc điều khiển điện tử công suất mà không cần phương pháp điều khiển xoay vòng Ngược lại, trong LSMM, thời gian dẫn và tần số chuyển mạch có sự khác biệt, yêu cầu phải xoay vòng mô hình chuyển mạch Đặc biệt, với chỉ số THD ở điện áp dây, LSMM thể hiện hiệu suất tốt hơn so với PSMM.
Hình 3.8 Thành phần sóng hài tương ứng của hai phương pháp [4]
Bảng 3.1 So sánh giữa phương pháp PWM dịch pha và dịch mức
So sánh Điều chế dịch pha Điều chế dịch mức
(IPD) Tần số chuyển mạch thiết bị
Giống nhau cho tất cả các thiết bị Khác nhau Thời gian dẫn của thiết bị
Giống nhau cho tất cả các thiết bị Khác nhau Xoay vòng mô hình chuyển mạch Không yêu cầu Yêu cầu
THD của điện áp dây Tốt Tốt hơn
Mặc dù phương pháp điều chế PSMM có tổng hàm điều chỉnh (THD) lớn hơn, nhưng nó lại đơn giản và đồng bộ cho các thiết bị, trong khi thuật toán điều khiển của phương pháp LSMM lại phức tạp và thiếu sự đồng bộ Do đó, PSMM được áp dụng phổ biến hơn trong thực tế Vì lý do này, tác giả đã lựa chọn phương pháp điều chế PSMM cho các ứng dụng trong luận văn.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ
Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ
Hệ thống truyền động điện được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, cung cấp động lực cho các cơ cấu sản xuất Từ thế kỷ XIX, động cơ một chiều và động cơ xoay chiều đã ra đời, trong đó khoảng 80% hệ thống truyền động điện không yêu cầu điều chỉnh tốc độ sử dụng động cơ xoay chiều Mặc dù phương án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều đã được phát minh sớm, nhưng chất lượng vẫn chưa thể so sánh với hệ thống một chiều Đến thập kỷ 70, khi nguy cơ khan hiếm dầu mỏ gia tăng, các nước công nghiệp tiên tiến đã tập trung nghiên cứu hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều hiệu suất cao, dẫn đến những thành tựu lớn trong thập kỷ 80 Sự phát triển này đã thúc đẩy việc thay thế động cơ một chiều bằng động cơ xoay chiều trong nhiều ngành công nghiệp Động cơ xoay chiều được phân thành hai loại: động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ, với các kiểu khác nhau như động cơ roto lồng sóc, roto dây quấn, và động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
Động cơ không đồng bộ, với 56 châm điện (cực lồi), nổi bật với nhiều ưu điểm như không cần bảo trì thường xuyên, độ tin cậy cao, kích thước nhỏ gọn và giá thành hợp lý Chúng có khả năng hoạt động trong môi trường độc hại và nơi có nguy cơ cháy nổ, khiến chúng trở thành lựa chọn phổ biến trong công nghiệp và đời sống Tuy nhiên, trước đây, động cơ không đồng bộ chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng có tốc độ không đổi do bộ điều khiển tốc độ thường đắt đỏ hoặc hiệu suất thấp.
Với sự tiến bộ vượt bậc trong công nghệ bán dẫn công suất cao và vi xử lý, bộ điều khiển động cơ không đồng bộ hiện nay có hiệu suất cao và chi phí thấp hơn so với bộ điều khiển động cơ DC Điều này cho phép động cơ không đồng bộ thay thế động cơ DC trong nhiều ứng dụng khác nhau Động cơ không đồng bộ thường được phân thành hai loại.
Động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc được thiết kế với các thanh dẫn điện nằm trong các rãnh của rôto, được kết nối ngắn mạch ở hai đầu thông qua các vòng dẫn.
Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn có cuộn dây ba pha nằm trong các rãnh lõi rôto, trong khi stato có số rãnh ít hơn nhưng nhiều vòng dây hơn trên mỗi pha với dây dẫn lớn hơn Rôto được quấn dây và mắc theo kiểu sao, với ba đầu dây ra nối với ba vòng trượt gắn trên trục rôto Động cơ này có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến hiệu suất và ứng dụng trong thực tế.
+ Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ hơn so với động cơ một chiều
+ Độ tin cậy cao trong vận hành, giảm chi phí trong vận hành, bảo trì, sửa chữa Có thể làm việc trong môi trường độc hại, cháy nổ
Động cơ không đồng bộ ba pha có thể kết nối trực tiếp với lưới điện xoay chiều ba pha mà không cần sử dụng thiết bị biến đổi, giúp tiết kiệm chi phí.
+ Động cơ dễ phát nóng đối với stato, nhất là khi điện áp lưới tăng và đối với roto khi điện áp lưới giảm
+ Khi điện áp sụt xuống thì mômen khởi động và mô men cực đại giảm rất nhiều do mô men tỷ lệ với bình phương điện áp
Động cơ không đồng bộ gặp khó khăn lớn trong việc điều chỉnh tốc độ và kiểm soát các quá trình quá độ Hiện nay, có hai phương pháp chính để điều khiển động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha, cả hai đều là các phương pháp điều khiển tần số Các phương pháp cũ đã bộc lộ nhiều nhược điểm, vì vậy không được đề cập đến trong bài viết này.
- Phương pháp điều khiển U/f (Điều khiển vô hướng)
- Phương pháp điều khiển định hướng trường – FOC ( Field Oriented Control - Điều khiển vectơ)
Trong phần tiếp theo sẽ trình bày chi tiết phương pháp điều khiển U/f và điều khiển định hướng trường (FOC), tài liệu [3,4,7].
Phương pháp điều khiển U/f
Điều khiển điện áp – tần số, hay còn gọi là điều khiển vô hướng hệ thống biến tần động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc, là quá trình điều chỉnh điện áp và dòng điện đầu ra của bộ biến tần dưới dạng sóng sin có biên độ và tần số có thể điều chỉnh Khi thay đổi tần số, trở kháng của động cơ cũng thay đổi, dẫn đến sự biến đổi của dòng điện, từ thông và mômen Do đó, việc điều chỉnh tần số cần phải đi kèm với điều chỉnh điện áp động cơ để tránh tình trạng quá dòng và đảm bảo khả năng sinh mômen theo yêu cầu của đặc tính mômen tải Đối với hệ biến tần nguồn áp, cần duy trì khả năng quá tải về mômen của động cơ không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ, với khả năng quá tải được xác định bởi công thức M = M/th M c.
Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato : nm s f nm s f th L
M U f nm f th (4.3) Điều kiện để giữ hệ số quá tải về mômen không đổi là: cđđ thđh c th m M
Động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc có đặc tính cơ rất cứng, cho phép điều chỉnh theo luật U/f Việc thay thế phương trình (4.3) vào (4.4) giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Hay ở dạng đơn vị tương đối: u * f *( 1 x / 2 )
Nếu gần đúng ta có U 1 / f 1 s thì có thể coi luật điều khiển này chính là luật từ thông hàm của mômen tải
Ưu nhược điểm của phương pháp:
+ Cấu trúc điều khiển đơn giản, dễ thực hiện
+ Độ tin cậy cao và vẫn thỏa mãn các yêu cầu điều khiển cơ bản
Chất lượng điều khiển ở tần số thấp không đạt yêu cầu cao, do mối quan hệ phi tuyến giữa điện áp và tần số, gây khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ chính xác Vì vậy, luật điều khiển U/f chỉ phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều chỉnh tốc độ ở mức trung bình hoặc lớn mà không cần chất lượng cao.
Phương pháp điều khiển định hướng trường ( FOC)
4.3.1 Phép biến đổi giữa các hệ trục tọa độ
Sử dụng các hệ tọa độ chuẩn giúp đơn giản hóa việc phân tích nguyên lý hoạt động của máy điện quay và cung cấp công cụ mạnh mẽ cho chiến lược điều khiển Hai khung tọa độ quan trọng là khung tọa độ tĩnh và khung tọa độ quay đồng bộ Phép biến đổi giữa hai khung tọa độ này sẽ được trình bày trong tài liệu [4,9].
1 Phép biến đổi giữa hệ trục tọa độ ba pha abc và hệ trục tọa độ quay đồng bộ dq
Phép biến đổi giữa các biến trong hệ tọa độ ba pha abc của động cơ không đồng bộ sang hệ tọa độ quay dq có thể được diễn tả qua một biểu thức cụ thể.
Biến x có thể đại diện cho dòng điện, điện áp hoặc từ thông móc vòng, trong khi θ là góc giữa trục a và trục d của hai hệ tọa độ Các biến ba pha xa, xb, xc thuộc về hệ tọa độ đứng yên trong không gian, còn các biến x d và x q là các biến trong hệ tọa độ quay với tốc độ đồng bộ.
Hình 4.2 Hệ trục tọa độ đứng yên abc và hệ trục tọa quay đồng bộ dq [4]
Tương tự các biến của hệ trục tọa độ quay dq có thể chuyển trở lại hệ trục tọa độ tĩnh abc bởi biểu thức:
Quan hệ giữa vectơ không gian và các đại lượng pha được thể hiện trong hình 4.3a, với vectơ i s quay với tốc độ không đổi ω trong hệ tọa độ tĩnh Dòng điện i as, i bs và i cs có thể được xác định bằng cách chiếu vectơ i s lên các trục tọa độ Ba trục tọa độ đứng là cơ sở để phân tích và tính toán các đại lượng này.
Trong không gian ba chiều, mỗi dòng điện pha sẽ thay đổi theo chu kỳ khi vectơ dòng điện quay Nếu biên độ và tốc độ quay giữ nguyên, dạng sóng của các dòng điện pha sẽ có hình sin và lệch pha nhau 120 độ.
Hình 4.3b mô tả trường hợp vectơ i s quay trong hệ tọa độ dq đồng bộ Khi vectơ i s quay với tốc độ tương đương hệ tọa độ dq và góc lệch giữa i s và trục d không đổi, các thành phần i ds và i qs trở thành tín hiệu một chiều Qua phép biến đổi này, tín hiệu ba pha xoay chiều phức tạp được chuyển thành hai tín hiệu một chiều, giúp đơn giản hóa việc mô phỏng, thiết kế và thực hiện chiến lược điều khiển cho hệ truyền động.
Hình 4.3 Véc tơ i s trong hệ: (a) – tọa độ tĩnh; (b) – tọa độ dq [4,7]
2 Phép chuyển hệ trục tọa độ tĩnh abc/αβ
Với trục tọa độ αβ không quay và trục α trùng với trục a của hệ tọa độ abc, cả hai hệ tọa độ đều đứng yên trong không gian Biến đổi này được thực hiện khi đặt θ = 0.
Tương tự, phép biến đổi từ hệ trục αβ sang hệ trục tọa độ abc , thường được gọi là phép biến đổi 2/3, được biểu diễn bởi
4.3.2 Mô hình động cơ không đồng bộ
Có hai kiểu mô hình động học phổ biến cho động cơ không đồng bộ: một dựa trên lý thuyết vectơ và một được xây dựng trong hệ tọa độ quay dq Trong bài viết này, chúng ta sẽ mô hình hóa động cơ trong hệ tọa độ quay Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ dq có thể được xây dựng từ lý thuyết dòng điện ba pha và sau đó chuyển sang hệ tọa độ dq Ngoài ra, mô hình cũng có thể được tạo ra bằng cách tách các vectơ không gian thành các thành phần trên trục d và q.
Ta lại có: s s s s s R i p j v v r R r i r p r j( r ) r (4.11) Thay (4.10) vào (4.11), ta sẽ có biểu thức điện áp theo các trục dq : qs ds ds s ds R i p v ds qs qs s qs R i p v v dr R r i dr p dr r dr (4.12)
63 v qr R r i qr p qr r qr Với từ thông móc vòng stato và rôto là:
Mômen điện từ có thể được biểu diễn theo một số cách như sau:
Phương trình động học của động cơ không đồng bộ:
Với J đại diện cho tổng mômen quán tính quy đổi của rôto và tải về trục động cơ, và TL là mômen tải, các hệ phương trình từ (4.12) đến (4.15) mô tả mô hình động cơ trong hệ tọa độ dq Mạch điện tương đương được thể hiện trong hình 4.4.
Hình 4.4 Mạch điện tương đương ứng với các trục d và q của hệ tọa độ [4]
4.3.3 Nguyên lý điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control – FOC)
Truyền động động cơ một chiều mang lại lợi thế lớn trong việc điều khiển nhờ vào khả năng kiểm soát độc lập từ trường stato và mômen điện Mômen được hình thành từ sự tương tác giữa hai trường điện từ vuông góc, trong đó một trường xuất phát từ dòng điện trong cuộn dây stato và trường còn lại từ dòng điện trong lõi sắt roto.
Trong hệ thống truyền động điện của động cơ một chiều, từ thông ψ f thường được giữ ổn định, do đó mômen được điều chỉnh trực tiếp bởi dòng điện trong rôto Điều khiển định hướng trường, hay còn gọi là điều khiển vectơ, cho động cơ không đồng bộ được phát triển dựa trên nguyên lý điều khiển của động cơ một chiều.
Định hướng trường trong dòng stato có thể phân thành hai thành phần chính: thành phần sinh từ thông và thành phần sinh mômen, với khả năng điều khiển riêng biệt Ngoài ra, định hướng trường cũng có thể chia thành định hướng từ thông stato và từ thông rôto.
Định hướng từ thông rôto là một chiến lược quan trọng trong điều khiển động cơ xoay chiều, được thực hiện bằng cách gắn trục tọa độ quay đồng bộ với vectơ từ thông rôto Các thành phần từ thông rôto được xác định với Ψ qr = 0 và ψ dr = ψ r, trong đó ψ r là độ lớn của vectơ từ thông rôto Mômen điện từ của động cơ được tính toán dựa trên các giá trị này, đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất và điều khiển động cơ.
Te = KTψdriqs = KTψriqs (4.17)
Hình 4.5 Định hướng từ thông roto (trục d gắn với vectơ ψr) [4,7]
Biểu thức cho thấy rằng với định hướng tựa từ thông rôto, mômen của động cơ không đồng bộ tương tự như mômen của động cơ một chiều Nếu ψ r được giữ ổn định trong quá trình hoạt động, mômen có thể được điều chỉnh trực tiếp thông qua dòng điện i qs.
2 Sơ đồ cấu trúc chung của FOC
Chiến lược điều khiển góc từ thông rôto θf có thể được phân loại thành hai loại: trực tiếp và gián tiếp Nếu θf được xác định thông qua cảm biến từ thông bên trong động cơ hoặc dựa trên các thông số điện áp và dòng, phương pháp này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
Mô hình máy biến áp dịch pha
Hình 5.1 Sơ đồ một khối dịch pha 25 0 trong máy biến áp dịch pha
Hình 5.2 Điện áp đầu vào
Hình 5.3 Điện áp đầu ra phía thứ cấp máy biến áp
Mô phỏng máy biến áp dịch pha ở chế độ phasor của Matlab ta có biên độ và góc pha của các điện áp dây như trong bảng 5.1
Bảng 5.1 Biên độ và góc pha của các điện áp dây phía đầu ra các cuộn thứ cấp Điện áp dây Biên độ Góc pha
Hình 5.4 Dạng sóng dòng điện trong cuộn sơ cấp khi sử dụng máy biến áp thường
Mô hình khâu PWM cho nghịch lưu CHB mười ba mức
Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM theo kiểu dịch pha sóng mang được áp dụng trong biến tần đa cấp cầu chữ H với 13 cấp, như đã trình bày ở chương 3.
Hình 5.6 Khâu tạo xung răng cưa cho 6 cầu H
76 Hình 5.7 Dạng sóng xung răng cưa ( f rc 1000Hz)
Hình 5.8 Khâu điều chế PWM tạo xung điều khiển cho một cầu H
Hình 5.9 Dạng sóng điều chế và sóng mang tam giác
Mô phỏng với tải R-L
78 Hình 5.11 Điện áp pha mô phỏng với tải R-L
Hình 5.12 Điện áp dây đầu ra mô phỏng với tải R-L
Hình 5.13 Dòng điện pha mô phỏng với tải R-L
Kết quả mô phỏng cho thấy khi chạy với tải RL, điện áp và dòng điện có chất lượng tốt và gần giống dạng sóng sin Do là biến tần nguồn áp, điện áp đầu ra không bị ảnh hưởng bởi tải.
Mô phỏng hệ truyền động sử dụng phương pháp điều khiển FOC
- Thông số động cơ: kW
- Thông số bộ điều khiển PI:
Bộ điều chỉnh tốc độ: K P 1187.5, K I 363600
Bộ điều chỉnh dòng i ds : K P 0.2, K I 0.5
Bộ điều chỉnh dòng i qs : K P 1, K I 50
80 Hình 5.14 Sơ đồ khối của hệ truyền động sử dụng thuật toán FOC
81 Hình 5.15 Khâu tính toán từ thông Rôto
82 Hình 5.16 Đồ thị điện áp pha khi sử dụng phương pháp điều khiển FOC
Hình 5.17 Đồ thị điện áp dây khi sử dụng phương pháp điều khiển FOC
83 Hình 5.18 Dòng điện Stato pha A
Hình 5.19 Dòng điện Stato ba pha ở trạng thái xác lập
84 Hình 5.20 Đồ thị dòng điện ba pha
Hình 5.21 Đáp ứng Mô men của động cơ
85 Hình 5.22 Đáp ứng tốc độ của động cơ
Hình 5.23 Dòng sinh từ thông Stato i ds
86 Hình 5.24 Dòng sinh mômen i qs
Hình 5.25 Góc từ thông Rôto f
Hình 5.26 Độ lớn từ thông r
Trong khoảng thời gian từ 0 đến 10 giây, động cơ khởi động đạt tốc độ định mức trước khi mô men tải được đưa vào Tại thời điểm này, từ thông Stato và mômen điện từ duy trì theo giá trị đặt với sai lệch nằm trong giới hạn cho phép.
- Trong suốt quá trình hoạt động từ thông được giữ không đổi do đó dòng sinh từ thông là không đổi
- Kết quả mô phỏng đã khẳng định tính đúng đắn của việc nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết
Kết luận và kiến nghị: Sau một thời gian làm việc nghiêm túc, luận văn này đã được hoàn thành đúng thời gian, nhờ sự hỗ trợ tận tình của thầy giáo Ts Trần Trọng Minh.
Luận văn đã giải quyết được các nội dung yêu cầu ban đầu gồm:
Chương 1: Chương này giới thiệu các yêu cầu, thách thức của biến tần trung thế và giới thiệu các cấu trúc, ưu nhược điểm của các cấu trúc nghịch lưu cơ bản trong biến tần trung thế
Chương 2: Giới thiệu tổng quan về biến tần đa cấp cầu H nối tầng
Chương 3: Giới thiệu về các phương pháp điều chế sử dụng cho biến tần đa cấp, bao gồm phương pháp điều chế dịch pha, dịch mức So sánh ưu nhược điểm của các phương pháp điều chế
Chương 4: Chương này giới thiệc các phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều không đồng bộ Các phương pháp điều khiển thông thường hiện nay đã được giới thiệu trong chương này
Chương 5: Mô phỏng biến tần đa cấp cầu H nối tầng trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu Phần mềm Matlab Simulink được dùng cho việc mô phỏng
Luận văn đã hoàn thành các yêu cầu nghiên cứu về biến tần đa cấp cầu chữ H nối tầng, bao gồm mạch lực, các phương pháp điều chế độ rộng xung và các phương pháp điều khiển hệ truyền động của biến tần.
Phương pháp điều chế PWM hiện vẫn còn một số nhược điểm, bao gồm việc không tận dụng hết khả năng của điện áp một chiều với m max < 1 và tốc độ đáp ứng của nghịch lưu chưa đủ nhanh Để cải thiện chất lượng của phương pháp này, hướng phát triển đề tài sẽ tập trung vào việc áp dụng các thuật toán điều chế biến thể, điều chế véctơ không gian, cùng với việc sử dụng các bộ lọc và phương pháp điều khiển hiện đại nhằm tối ưu hóa hiệu suất cho các hệ thống truyền động công suất lớn.
Mặc dù tác giả đã nỗ lực hết mình, nhưng do thời gian và khả năng có hạn, luận văn này vẫn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự góp ý và phản hồi từ độc giả để hoàn thiện hơn.
89 của các thầy cô để bản luận văn này được hoàn thiện hơn, tiến tới khả năng ứng dụng vào thực tế
Hà nội, ngày….tháng… năm 2014