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

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