Cải thiện mômen của động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc ở chế độ quá độ có tải trong dải tốc độ từ lân cận định mức đến định mức

CẢI THIỆN MÔMEN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA<br /> ROTOR LỒNG SÓC Ở CHẾ ĐỘ QUÁ ĐỘ CÓ TẢI<br /> TRONG DẢI TỐC ĐỘ TỪ LÂN CẬN ĐỊNH MỨC ĐẾN ĐỊNH MỨC<br /> HOÀNG TRỌNG ĐỨC<br /> Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày ứng dụng phương pháp điều chế độ rộng xung<br /> cải biến để cải thiện đặc tính mômen của động cơ không đồng bộ ba pha<br /> rotor lồng sóc ở chế độ quá độ có tải. Động cơ hoạt động ở tốc độ lân cận<br /> định mức và định mức. Động cơ được điều khiển theo phương pháp tựa từ<br /> thông rotor gián tiếp với bộ nghịch lưu áp năm mức kiểu cầu H nối tầng. Kết<br /> quả nghiên cứu được mô phỏng và kiểm chứng bằng phần mềm PSIM cho<br /> thấy đặc tính mômen ở chế độ quá độ có tải có biên độ dao động nhỏ và<br /> nhanh chóng xác lập hơn so với trường hợp sử dụng phương pháp điều chế<br /> độ rộng xung.<br /> Từ khóa: điều chế độ rộng xung cải biến, chế độ quá độ<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Quá trình làm việc của động cơ có thể chia thành các giai đoạn: quá độ và ổn định. Mỗi<br /> giai đoạn tương ứng với một chế độ làm việc. Chế độ quá độ có tải rất cần được quan<br /> tâm nghiên cứu, vì nó ảnh hưởng đến khả năng làm việc ổn định hay không ổn định của<br /> động cơ [1], [3]. Sử dụng các phương pháp điều khiển động cơ hoặc thay đổi từng phần<br /> trong cấu trúc điều khiển động cơ nhằm thu được đặc tính mômen nhanh đạt trạng thái<br /> xác lập và giảm biên độ dao động (hay giảm độ quá điều chỉnh).<br /> Trong bài báo này, dùng cấu trúc điều khiển tựa từ thông rotor gián tiếp (Indirect Field<br /> Oriented Control-IFOC) để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc<br /> [1]. Với cấu trúc điều khiển này, động cơ xoay chiều ba pha được điều khiển như động<br /> cơ một chiều. Bộ nghịch lưu áp 5 năm mức kiểu cầu H nối tầng (5L-CHB) tạo ra điện<br /> áp pha cung cấp cho động cơ có dạng sóng đa mức tiệm cận dạng sóng sin điều hòa. Sử<br /> dụng phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Switching Frequency Optimal PWM<br /> : SFO-PWM) để điều chế cho bộ nghịch áp đa mức, thay cho phương pháp điều chế độ<br /> rộng xung (Subharmonic Pulse Width Modulation: SH-PWM). Các kết quả nghiên cứu<br /> trên mô phỏng về đặc tính mômen ở chế độ quá độ có tải ứng với trường hợp động cơ<br /> hoạt động ở tốc độ lân cận định mức và định mức có nhiều điểm lý thú.<br /> 2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG CẢI BIẾN<br /> Về mặt thuật toán điều khiển bộ nghịch lưu áp, phương pháp SFO-PWM kế thừa đầy đủ<br /> những ưu điểm của phương pháp SH-PWM. Đó là, tạo xung kích đóng-ngắt các khóa<br /> bán dẫn của bộ nghịch lưu áp trên cơ sở so sánh hai tín hiệu: sóng mang Ucr (carier<br /> signal) và điện áp điều chế Ur (modulation signal) [1], [2]. Phương pháp SH-PWM sử<br /> Tạp chí Khoa học và Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế<br /> ISSN 1859-1612, Số 04(36)/2015: tr. 48-55<br /> <br /> CẢI THIỆN MÔMEN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA...<br /> <br /> 49<br /> <br /> dụng điện áp điều chế Ur dạng sin, nhưng điện áp điều chế dùng trong phương pháp<br /> SFO-PWM có dạng “hình thang”. Ở đây, điện áp điều chế mỗi pha đã được biến đổi<br /> cùng một lượng như nhau và bằng thành phần thứ tự không. Các điện áp điều chế sẽ bị<br /> dịch đi cùng một độ lớn và giá trị điện áp trung bình trong một chu kỳ sóng mang sẽ<br /> thay đổi cùng một giá trị. Do đó, điện áp dây đầu ra của bộ nghịch lưu sẽ không thay<br /> đổi. Thành phần điện áp thứ tự không này còn được gọi là điện áp offset, đó là sóng hài<br /> bội ba dạng tam giác có tần số gấp 3 lần tần số của điện áp điều chế. Điện áp offset<br /> được tính toán từ tín hiệu lớn nhất trong ba tín hiệu điều chế và tín hiệu nhỏ nhất trong<br /> ba tín hiệu điều chế.<br /> Nếu gọi Ura, Urb, Urc là các điện áp điều chế của phương pháp SH-PWM thì điện áp<br /> điều chế của phương pháp SFO-PWM (hình 1) có thể biểu diễn dưới dạng toán học: <br /> <br /> max(U ra ,U rb ,U rc ) + min(U ra ,U rb ,U rc )<br /> ⎧<br /> ⎪U offset = −<br /> 2<br /> ⎨<br /> ⎪U xSFO = U rx + U offset ; x = a,b,c<br /> ⎩<br /> <br /> (1)<br /> <br /> Hình 1. Điện áp điều chế, điện áp offset của SFO-PWM và SH-PWM<br /> <br /> Hình 3 mô tả quá trình tạo xung kích đóng-ngắt các khóa bán dẫn IGBT của bộ nghịch<br /> lưu áp 5L-CHB. Các sóng mang Ucr1 và Ucr1- dùng để tạo xung đóng khóa S11 và S31 của<br /> bộ nghịch lưu áp một pha H1, còn các sóng mang Ucr2 và Ucr2- dùng để tạo xung đóng<br /> khóa S12 và S32 của bộ nghịch lưu áp một pha H2. Các sóng mang này được bố trí theo<br /> kiểu IPD (In-Phase Disposition). Khi điện áp điều chế pha A (Ura) lớn hơn các sóng<br /> mang Ucr1 và Ucr2 sẽ tạo xung đóng các khóa S11 và S12 tương ứng. Các sóng mang Ucr1và Ucr2- sẽ tạo xung đóng các khóa S31 và S32 khi Ura nhỏ hơn các sóng mang này. Xung<br /> đóng các khóa S41, S21, S42 và S22 là các tín hiệu bù của xung đóng các khóa S11, S31, S12<br /> và S32.<br /> <br /> 50<br /> <br /> HOÀNG TRỌNG ĐỨC<br /> <br /> A<br /> <br /> S11<br /> <br /> D11 S31<br /> <br /> D31<br /> U h1<br /> <br /> E<br /> <br /> S41<br /> <br /> D 41 S21<br /> <br /> D 21<br /> <br /> H1<br /> S12<br /> <br /> D12 S32<br /> <br /> D32<br /> U h2<br /> <br /> E<br /> <br /> S42<br /> <br /> D 42 S22<br /> H2<br /> <br /> D 22<br /> N<br /> <br /> Hình 2. Pha A của bộ nghịch lưu áp 5L-CHB<br /> <br /> Hình 3. Giản đồ xung kích đóng-ngắt IGBT trong pha A<br /> <br /> 3. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC<br /> <br /> ⎧ λ = k2 .ikt<br /> Đối với động cơ một chiều, ta có: ⎨ M<br /> (2). Từ thông λM chỉ phụ thuộc vào<br /> ⎩Te = k1 .λM .iu<br /> dòng kích từ ikt nên từ ikt có thể điều khiển và khống chế được λM. Mặt khác, tại mỗi<br /> <br /> CẢI THIỆN MÔMEN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA...<br /> <br /> 51<br /> <br /> thời điểm công tác của động cơ, do từ thông đã được điều chỉnh ổn định ở một giá trị<br /> không đổi nên mômen quay Te tỷ lệ thuận với dòng phần ứng iu.<br /> Đối với động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, ta có quan hệ giữa mômen quay,<br /> từ thông và các phần tử của vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ từ thông rotor (tọa<br /> độ dq):<br /> <br /> Lm<br /> ⎧<br /> ⎪λdr = 1 + pτ ids<br /> ⎪<br /> r<br /> ⎨<br /> ⎪T = 3 . Lm Z .λ .i<br /> ⎪⎩ e 2 Lr p dr qs<br /> <br /> (3)<br /> <br /> trong đó: λdr, ids, iqs, Lr, Lm, Zp, τr, p lần<br /> lượt là: từ thông rotor trên trục d, dòng<br /> điện stator trên trục d và q, điện cảm<br /> rotor, hỗ cảm giữa stator và rotor, số đôi<br /> cực từ, hằng số thời gian của rotor, toán<br /> tử Laplace.<br /> <br /> Hình 4. Hệ tọa độ từ thông rotor [1]<br /> <br /> Phương trình (3) cho thấy, từ thông rotor có thể được tăng giảm gián tiếp thông qua<br /> tăng giảm ids, giữa λdr và ids có quan hệ trễ bậc nhất với hằng số thời gian τr.<br /> <br /> Hình 5. Cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha theo IFOC [1]<br /> <br /> Nếu áp đặt nhanh và chính xác dòng ids thì có thể xem ids là đại lượng điều khiển của từ<br /> thông rotor (ids giữ vai trò tương tự như ikt). Nếu thành công trong việc điều chỉnh ổn<br /> định λdr tại mọi điểm công tác của động cơ, đồng thời thành công trong việc áp đặt<br /> nhanh và chính xác dòng iqs thì có thể xem iqs là đại lượng điều khiển của mômen.<br /> Góc từ thông rotor: θ f = ∫ ( ωr + ωsl )dt<br /> <br /> (4), với ωsl =<br /> <br /> Lm<br /> <br /> τ r λr<br /> <br /> iqs .<br /> <br /> 52<br /> <br /> HOÀNG TRỌNG ĐỨC<br /> <br /> *<br /> *<br /> Khi giữ λr* không đổi trong quá trình hoạt động ( pλr* = 0 ) thì ids<br /> là: ids<br /> =<br /> <br /> *<br /> Dòng điện trên trục q: iqs<br /> =<br /> <br /> 1<br /> *<br /> r<br /> <br /> KT λ<br /> <br /> Te*<br /> <br /> (6), với KT =<br /> <br /> 1 *<br /> λr (5)<br /> Lm<br /> <br /> 3 Lm<br /> . Zp.<br /> 2 Lr<br /> <br /> Như vậy, phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc tựa từ<br /> thông rotor gián tiếp tạo ra một công cụ cho phép tách các thành phần dòng tạo ra từ<br /> thông và dòng tạo ra mômen quay từ dòng điện xoay chiều 3 pha chảy trong cuộn dây<br /> stator của động cơ [1], [3]. Phép mô tả này dẫn tới các tương quan giống như đối với<br /> động cơ một chiều, nhằm đạt được tính năng điều khiển nhanh, chính xác và không<br /> tương tác.<br /> Hình 5 mô tả cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc theo<br /> IFOC. Trong đó khối nghịch lưu áp (Voltage Source Inverter-VSI) sử dụng nghịch lưu<br /> áp 5L-CHB, khối PWM sử dụng phương pháp SFO-PWM để điều chế cho khối VSI.<br /> 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN<br /> Mô phỏng cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc trong hình<br /> 5 bằng phần mềm PSIM. Các thông số cơ bản của động cơ: Rs = 0.294 (Ω), Rr = 0.156<br /> (Ω), Ls = 0.00139 (H), Lr = 0.0074 (H), Lm = 0.041 (H), Zp = 3, Ud = 380 (V). Các sóng<br /> mang IPD có tần số fcr = 4050 (Hz), biên độ đỉnh Acr = 0,5 (V). Kết quả mô phỏng hoạt<br /> động của động cơ ở dải tốc độ từ lân cận định mức 1440 vg/ph đến định mức 1451<br /> vòng/phút ở chế độ quá độ có tải khi sử dụng phương pháp điều chế SH-PWM và SFOPWM được mô tả trong các hình sau:<br /> <br /> Hình 6. Mômen động cơ theo SH-PWM (a) và SFO-PWM (b) ở tốc độ 1440 vg/ph<br /> <br /> Hình 6 và hình 7 mô tả đặc tính mômen động cơ ở chế độ quá độ có tải theo SH-PWM<br /> và SFO-PWM. Xét một cách tổng quát, mômen đạt được yêu cầu của quá trình điều<br /> khiển. Đó là, đạt trạng thái xác lập không tải và có tải, đường đặc tính ở chế độ quá độ<br /> tựa theo hình dạng của một dao động tắt dần. Trong thời gian mô phỏng từ 0.58s đến<br /> <br />