Điều khiển tốc độ động cơ biến tần đa bậc NPC bằng phương pháp DTC

Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät<br /> <br /> Kỹ thuật – Công nghệ<br /> ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ<br /> BIẾN TẦN ĐA BẬC NPC BẰNG PHƯƠNG PHÁP DTC<br /> Vũ Thế Đảng*<br /> Nguyễn Thị Hiền**<br /> <br /> <br /> TÓM TẮT<br /> <br /> Bài báo này trình bày nghiên cứu phương pháp điều khiển momen trực tiếp dùng điều chế<br /> độ rộng xung sóng mang (CPWM – DTC) cho hệ thống điều khiển tốc độ động cơ cấp nguồn bởi bộ<br /> nghịch lưu áp ba bậc NPC. Mô hình toán học của CPWM – DTC được xây dựng dựa trên lý thuyết<br /> về mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ trục tọa độ cố định gắn với stator. Kỹ thuật điều<br /> chế độ rộng xung sóng mang với hàm offset trung bình được ứng dụng vào bộ nghịch lưu áp đa bậc<br /> NPC. Kết quả nghiên cứu đã được mô phỏng và kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink cho<br /> thấy hệ thống đáp ứng tốt với phương pháp CPWM – DTC đưa ra.<br /> Từ khóa: Điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM), điều khiển momen trực tiếp<br /> (DTC), cặp diode kẹp (NPC), độ méo hài toàn phần (THD).<br /> <br /> CONTROL NPC INVERTER AND MULTI-LEVEL<br /> ENGINE SPEED BY DTC<br /> ABSTRACT<br /> This thesis presents a research on the carrier base pulse width modulation (CPWM) – DTC<br /> technique in Motor speed Control system fed NPC three level voltage source inverter. Mathematical<br /> model of CPWM - DTC has been built based on theory of indution motor model in stator fixed<br /> coordinate system. CPWM with medium common mode technique has been applied for NPC<br /> multilevel voltage source inverter. Research results have been simulated and verified on the Matlab/<br /> Simulink software which reveals that the system works well with presented CPWM – DTC technique.<br /> Keywords: Carier base Pules Width Modulation (CPWM), Direct Torque Control (DTC),<br /> Neutral Point Clamped (NPC), Total Harmonic Distortion (THD).<br /> <br /> 1.Giới thiệu.<br /> Ngày nay, việc điều khiển tốc độ động<br /> cơ không đồng bộ đã thu hút được sự quan<br /> tâm của rất nhiều nhà nghiên cứu, các phương<br /> pháp điều khiển đã được đưa ra và được kiểm<br /> chứng bằng kết quả mô phỏng như phương<br /> <br /> pháp FOC, DTC cổ điển rồi DTC cải tiến<br /> trong đó DTC dùng điều chế độ rộng xung<br /> sóng mang (CPWM) [4] cho thấy có nhiều ưu<br /> điểm nổi bật.<br /> Cho đến nay, bộ biến tần đa bậc ngày<br /> càng được dùng nhiều trong công nghiệp và<br /> <br /> ThS. GV. Trường ĐH Kinh tế Kỹ thuật Bình Dương<br /> ThS. GV. Trường cao đẳng nghề Công nghệ Nông Lâm Nam Bộ<br /> <br /> * <br /> <br /> **<br /> <br /> 50<br /> <br /> Điều kiển tốc độ....<br /> <br /> bộ biến tần có bậc càng cao ngày càng được<br /> sử dụng nhiều. Việc cấp nguồn cho động cơ<br /> không đồng bộ dùng biến tần đa bậc cho hiệu<br /> quả cao và việc thực hiện điều khiển các công<br /> tác bán dẫn được thực hiện dễ dàng hơn khi<br /> dùng phương pháp CPWM .<br /> Bài báo này trình bày phương pháp<br /> CPWM – DTC với kỹ thuật CPWM sử dụng<br /> hàm offset trung bình, biến tần ba bậc NPC.<br /> Từ đó có thể khảo sát thêm đối với biến tần<br /> 5 bậc, 7 bậc và sử dụng hàm offset lớn nhất<br /> hoặc nhỏ nhất để giảm công suất tổn hao trong<br /> quá trình làm việc.<br /> 2. Nội dung.<br /> 2.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu áp đa bậc<br /> NPC<br /> Bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC gồm có:<br /> 4 x 3 = 12 cặp IGBT, 3 x 2 = 6 cặp Diode, 2 tụ<br /> điện DC. Các cặp IGBT trên cùng 1 pha sẽ được<br /> đóng ngắt theo qui tắt kích đối nghịch (Hình 1).<br /> 2.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung<br /> sóng mang (carier base PWM)<br /> Phương pháp này thực hiện cộng thêm<br /> vào tín hiệu điều chế một tín hiệu Voffset, Voffset<br /> được gọi là điện áp common mode có thể có<br /> giá trị lớn nhất (Vomax), nhỏ nhất (Vomin) hay<br /> trung bình (Vomid).<br /> Với Vomin = - Min (Vta, Vtb, Vta) (1)<br /> Vomax = Vd – Max (Vta, Vtb, Vta) (2)<br /> (3)<br /> Vo min + Vo max <br /> Vomid =<br /> <br /> Vdkj =<br /> <br /> V jo<br /> Vd<br /> n −1<br /> <br /> (5)<br /> <br /> Trong đó j = a, b, c; n là số bậc bộ biến tần.<br /> Vd là điện áp một chiều cấp cho bộ nghịch<br /> lưu.<br /> Như vậy để tạo ra tín hiệu điều khiển các<br /> công tác bán dẫn cho 1 pha, nếu dùng 1 sóng<br /> mang thì cần (n-1) sóng điều khiển.<br /> <br /> Hình 1. Bộ nghịch lưu áp<br /> NPC 3 bậc 3 nhánh<br /> 2.3. Giải thuật dùng một sóng mang và<br /> (3-1) sóng điều khiển cho một pha.<br /> Sóng mang dùng chung cho 3 pha có biên<br /> độ [0 1], một sóng điều khiển của mỗi pha có<br /> biên độ lớn hơn 1, nhỏ hơn 0 hay nằm giữa 0<br /> và 1. Từ một sóng điều khiển này ta tạo ra hai<br /> sóng khác ví dụ cho pha a là va1, va0 với điều<br /> kiện sau.<br /> = 1<br /> 1neuva ><br /> <br /> va1 = <br /> va neuva < 1<br /> <br /> va 0 = va − 1neuva > 1 <br /> <br /> 2<br /> <br /> Trong đó Vta, Vta, Vtc là điện áp tải các pha<br /> a, b, c.<br /> Khi đó điện áp trung bình pha tải được<br /> tính như công thức (4).<br /> Vao = Vta + Voffset<br /> Vbo = Vtb + Voffset <br /> (4)<br /> Vco = Vtc + Voffset <br /> Điện áp điều khiển được tính như công<br /> thức (5)<br /> <br /> (6)<br /> (7)<br /> <br /> Sau đó thực hiện so sánh hai sóng này với<br /> sóng mang để được tín hiệu đóng ngắt công<br /> tác bán dẫn (lưu ý là các công tác kích dẫn đối<br /> nghịch (Sa11 + Sa12 = 1)). <br /> 2.4. Sơ đồ khối hệ điều khiển tốc độ động<br /> cơ KĐB dùng CPWM – DTC.<br /> Sơ đồ hệ điều khiển tốc độ động cơ KĐB<br /> như hình 2. Trong sơ đồ này, bộ DTC &<br /> 51<br /> <br /> Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät<br /> <br /> Khối ước lượng từ thông (hình 5) được<br /> xây dựng dựa trên công thức toán học (11),<br /> (12), (13), (14), (15), (16).<br /> Hai bộ PI được thực hiện dựa vào công<br /> thức (9), (10)<br /> <br /> controller đóng vai trò quan trọng, khối này<br /> có cấu trúc như hình 3.<br /> <br /> u sq = K p .∆T<br /> e + K i ∫ ∆Tedt <br /> <br /> (9)<br /> <br /> *<br /> <br /> u sd = K p .∆ϕ s + K i ∫ ∆ϕ s dt<br /> *<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ khối hệ điều khiển tốc độ<br /> động cơ KĐB dùng pp CPWM - DTC<br /> 2.5. Phương pháp DTC<br /> Sơ đồ khối của khối DTC & controller<br /> như hình 3, còn sơ đồ mô phỏng khối này trên<br /> matlab/ simulink như hình 6.<br /> <br /> (11)<br /> <br /> ϕ sd = ∫ (Vsd − Rs i sd )dt <br /> <br /> (12)<br /> <br /> ϕ sq = ∫ (Vsq − Rs i sq )dt <br /> <br /> (13)<br /> <br /> Teta = tg<br /> <br /> <br /> <br /> (14)<br /> <br /> −1<br /> <br /> ϕ sq<br /> <br /> ϕ sd<br /> <br /> (15)<br /> <br /> 3<br /> P(ϕ sd i sq − ϕ sq .i sd ) <br /> 2<br /> <br /> (16)<br /> <br /> P là số cặp cực từ<br /> Các điện áp và dòng điện tải được chuyển<br /> trục tọa độ theo biểu thức chuyển đổi Clarke<br /> (17), (18).<br /> <br /> <br /> <br /> cos θ<br /> − sin θ<br /> v a  <br /> <br /> v  = cos(θ − 2π ) − sin(θ − 2π )  v d <br />  <br />  b <br /> 3<br /> 3  v q <br /> vc  <br /> <br /> 2π<br /> 2π<br /> cos(θ +<br /> )− sin(θ +<br /> )<br /> 3<br /> 3 <br /> <br /> <br /> Trong đó khối speed controller (hình 4) có<br /> nhiệm vụ hiệu chỉnh giá trị momen đặt Te* và<br /> từ thông đặt Flux* dựa vào sai lệch giữa tốc<br /> độ đặt và tốc độ thực của động cơ như công<br /> thức (8)<br /> = K p .e(t ) + K i ∫ e(t )dt<br /> <br /> <br /> <br /> ϕ s = ϕ sd2 + ϕ sq2<br /> <br /> Hình 3. Khối DTC & controller<br /> <br /> *<br /> <br /> (10)<br /> <br /> ϕ s = ϕ sd + jϕ sq <br /> <br /> Te =<br /> <br /> Te<br /> <br /> <br /> <br /> (8)<br /> <br /> (17)<br /> <br /> (18)<br /> 1<br /> 1<br /> Vsd = (2.Va + Vb + Vc ) Vsq =<br /> (Vb − Vc )<br /> 3<br /> 3<br /> ,<br /> <br /> Flux* = 1 khi 0 < tốc độ rotor < tốc độ<br /> định mức.<br /> <br /> Hình 5. Khối ước lượng từ thông và momen<br /> trên Matlab/ simulink<br /> <br /> Hình 4. Khối speed controller trong matlab<br /> 52<br /> <br /> Điều kiển tốc độ....<br /> <br /> - Bộ điều khiển tốc độ động cơ (speed<br /> controller)<br /> - Kp = 30, Ki = 200<br /> - Phạm vi momen tại ngõ ra [-1200, 1200]<br /> - Thông số của bộ nghịch lưu áp:<br /> - Điện áp DC cấp 480V<br /> - Tần số chuyển mạch 5kHz<br /> - Hệ số điều chế 0,5<br /> Sơ đồ mô phỏng trên matlab như hình 7.<br /> <br /> Hình 6. Sơ đồ mô phỏng khối DTC &<br /> controller trên Matlab/ simulink<br /> 3. Kết quả mô phỏng.<br /> Thực hiện mô phỏng hệ thống điều khiển<br /> tốc độ động cơ KĐB ba pha dùng phương<br /> pháp DTC cấp nguồn bởi bộ nghịch lưu áp 3<br /> bậc NPC.<br /> Các tham số ngõ vào:<br /> Tại thời điểm t = 1s tốc độ tham chiếu là<br /> 500 rpm.<br /> Tại thời điểm t = 3s (ở trạng thái xác lập)<br /> momen tải là 950N.m.<br /> Tham số động cơ không đồng bộ 3 pha:<br /> Công suất định mức: 149200VA = 149,2 KVA.<br /> Điện áp dây – dây: 380Vrms<br /> Tần số điện áp: 50Hz<br /> Tốc độ định mức: 1500 rpm<br /> Điện trở stator: Rs = 0,01485 ohm<br /> Độ tự cảm cuộn stator: Ls = 0,3027 mH<br /> Điện trở rotor: Rr = 0,01485 ohm<br /> Độ tự cảm cuộn dây rotor: Lr = 0,3027 mH<br /> Độ hỗ cảm: Lm = 10,46 mH<br /> Số cặp cực: P = 2<br /> Momen tải: T = 149,2 * 9550 / 1500 =<br /> 950 N.m<br /> Thông số của khối DTC:<br /> Tính từ thông định mức: 0.8wb<br /> - Bộ điều khiển momen có Kp = 1,5; Ki<br /> = 100<br /> - Bộ điều khiển từ thông có: Kp = 250; Ki<br /> = 4000<br /> <br /> Hình 7. Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động<br /> động cơ không đồng bộ trên matlab<br /> Thực hiện điều chế độ rộng xung sóng<br /> mang.<br /> Trường hợp tốc độ đặt thay đổi đột ngột, có<br /> thực hiện hạn chế dòng khởi động ta nhận được<br /> dòng điện stator như hình 8. So với trường hợp<br /> ở hình 9 thì dòng điện khởi động lớn hơn khá<br /> nhiều. Trong trường hợp không khống chế<br /> dòng điện khởi động thì dòng stator tại thời<br /> điểm có tải tăng rất cao (>900V) (hình 10).<br /> Tốc độ thực của roto thay đổi theo tốc độ<br /> đặt và đáp ứng momen tương ứng ở hai trường<br /> hợp (*) và (**) như hình 11, 12, 13, 14.<br /> <br /> Hình 8. Dòng điện stator, tốc độ đặt thay đổi<br /> đột ngột, có hạn chế dòng khởi động (*)<br /> <br /> 53<br /> <br /> Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät<br /> <br /> Hình 9. Dòng điện stator, tốc độ đặt thay đổi<br /> từ từ, có hạn chế dòng khởi động (**)<br /> <br /> Hình 12. Tốc độ rotor ứng với<br /> trường hợp (**)<br /> <br /> Hình 10. Dòng điện stator, tốc độ đặt thay<br /> đổi từ từ không khống chế dòng khởi động<br /> <br /> Hình 13. Đáp ứng momen ứng với TH (*)<br /> <br /> Hình 11. Tốc độ rotor ứng với<br /> trường hợp (TH) (*)<br /> <br /> Hình 14. Đáp ứng momen ứng với TH (**)<br /> <br /> Kết quả so sánh giữa phương pháp DTC cổ<br /> điển và CPWM – DTC như trong bảng 1 và 2.<br /> <br /> Bảng 1: Bảng so sánh dòng điện khởi động và tổng độ méo hài của dòng điện.<br /> Tốc độ<br /> 0 lên 500<br /> 500 xuống 0<br /> <br /> Dòng điện khởi động (A)<br /> CPWM – DTC<br /> DTC cổ điển<br /> 150<br /> 900<br /> 300<br /> 250<br /> <br /> Tổng độ méo hài dòng điện<br /> CPWM - DTC<br /> DTC cổ điển<br /> 55,06<br /> 154,7<br /> 35,98<br /> 101,5<br /> <br /> Bảng 2: Bảng so sánh độ gợn từ thông stator và độ gợn momen.<br /> Độ gợn từ thông stator (50Hz) Độ gợn momen (50Hz)<br /> Tốc độ<br /> CPWM – DTC DTC cổ điển CPWM - DTC DTC cổ điển<br /> 0 lên 500<br /> 0,0002823<br /> 0.00918<br /> 14,05<br /> 11,37<br /> 500 xuống 0<br /> 0.0002945<br /> 0.0007291<br /> 34,86<br /> 20,41<br /> 54<br /> <br />