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

50 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Kỹ thuật – Cơng nghệĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BIẾN TẦN ĐA BẬC NPC B̀NG PHƯƠNG PHÁP DTC Vũ Thế Đảng* Nguyễn Thị Hiền** TĨM TẮT Bài báo này trình bày nghiên cứu phương pháp điều khiển momen trực tiếp dùng điều chế độ rộng xung sĩng mang (CPWM – DTC) cho hệ thống điều khiển tốc độ động cơ cấp nguồn bởi bộ nghịch lưu áp ba bậc NPC. Mơ hình tốn học của CPWM – DTC được xây dựng dựa trên lý thuyết về mơ hình động cơ khơng đồng bộ ba pha trên hệ trục tọa độ cố định gắn với stator. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sĩng mang với hàm offset trung bình được ứng dụng vào bộ nghịch lưu áp đa bậc NPC. Kết quả nghiên cứu đã được mơ phỏng và kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink cho thấy hệ thống đáp ứng tốt với phương pháp CPWM – DTC đưa ra. Từ khĩa: Điều chế độ rộng xung sĩng mang (CPWM), điều khiển momen trực tiếp (DTC), cặp diode kẹp (NPC), độ méo hài tồn 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 ixed coordinate system. CPWM with medium common mode technique has been applied for NPC multilevel voltage source inverter. Research results have been simulated and veriied 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). * ThS. GV. Trường ĐH Kinh tế Kỹ thuật Bình Dương ** ThS. GV. Trường cao đẳng nghề Cơng nghệ Nơng Lâm Nam Bộ 1.Giới thiệu. Ngày nay, việc điều khiển tốc độ động cơ khơng 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 mơ phỏng như phương pháp FOC, DTC cổ điển rồi DTC cải tiến trong đĩ DTC dùng điều chế độ rộng xung sĩng mang (CPWM) [4] cho thấy cĩ nhiều ưu điểm nổi bật. Cho đến nay, bộ biến tần đa bậc ngày càng được dùng nhiều trong cơng nghiệp và 51 Điều kiển tốc độ.... bộ biến tần cĩ bậc càng cao ngày càng được sử dụng nhiều. Việc cấp nguồn cho động cơ khơng đồng bộ dùng biến tần đa bậc cho hiệu quả cao và việc thực hiện điều khiển các cơng 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 đĩ cĩ thể khảo sát thêm đối với biến tần 5 bậc, 7 bậc và sử dụng hàm offset lớn nhất hoặc nhỏ nhất để giảm cơng 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 cĩ: 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 đĩng ngắt theo qui tắt kích đối nghịch (Hình 1). 2.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung sĩng 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 cĩ thể cĩ 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) 2 maxmin oo omid VVV += (3) Trong đĩ Vta, Vta, Vtc là điện áp tải các pha a, b, c. Khi đĩ điện áp trung bình pha tải được tính như cơng thức (4). Vao = Vta + Voffset Vbo = Vtb + Voffset Vco = Vtc + Voffset (4) Điện áp điều khiển được tính như cơng thức (5) 1− = n V VV d jo dkj (5) Trong đĩ 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 cơng tác bán dẫn cho 1 pha, nếu dùng 1 sĩng mang thì cần (n-1) sĩng điều khiển. Hình 1. Bộ nghịch lưu áp NPC 3 bậc 3 nhánh 2.3. Giải thuật dùng một sĩng mang và (3-1) sĩng điều khiển cho một pha. Sĩng mang dùng chung cho 3 pha cĩ biên độ [0 1], một sĩng điều khiển của mỗi pha cĩ biên độ lớn hơn 1, nhỏ hơn 0 hay nằm giữa 0 và 1. Từ một sĩng điều khiển này ta tạo ra hai sĩng khác ví dụ cho pha a là va1, va0 với điều kiện sau.  == 1111 aa aa neuvvneuvv (6) 110 >−= aaa neuvvv (7) Sau đĩ thực hiện so sánh hai sĩng này với sĩng mang để được tín hiệu đĩng ngắt cơng tác bán dẫn (lưu ý là các cơng 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 & 52 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật controller đĩng vai trị quan trọng, khối này cĩ cấu trúc như hình 3. 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, cịn sơ đồ mơ phỏng khối này trên matlab/ simulink như hình 6. Hình 3. Khối DTC & controller Trong đĩ khối speed controller (hình 4) cĩ nhiệm vụ hiệu chỉnh giá trị momen đặt Te* và từ thơng đặt Flux* dựa vào sai lệch giữa tốc độ đặt và tốc độ thực của động cơ như cơng thức (8) ∫+= dtteKteKTe ip )()(.* (8) Flux* = 1 khi 0 < tốc độ rotor < tốc độ định mức. Hình 4. Khối speed controller trong matlab Khối ước lượng từ thơng (hình 5) được xây dựng dựa trên cơng thức tốn học (11), (12), (13), (14), (15), (16). Hai bộ PI được thực hiện dựa vào cơng thức (9), (10) ∫ ∆+∆= TedtKTeKu ipsq .* (9)∫ ∆+∆= dtKKu sispsd ϕϕ.* (10) sqsds jϕϕϕ += (11) dtiRV sdssdsd )(∫ −=ϕ (12) dtiRV sqssqsq )(∫ −=ϕ (13) 22 sqsds ϕϕϕ += (14) sd sqtgTeta ϕϕ1−= (15) ).(2 3 sdsqsqsd iiPTe ϕϕ −= (16) P là số cặp cực từ Các điện áp và dịng điện tải được chuyển trục tọa độ theo biểu thức chuyển đổi Clarke (17), (18).     +− −− −     + −=    q d c b a v v v v v )3 2sin( )3 2sin( sin )3 2cos( )3 2cos( cos πθ πθθπθ πθθ (17) ).2(3 1 cbasd VVVV ++= , )(31 cbsq VVV −= (18) Hình 5. Khối ước lượng từ thơng và momen trên Matlab/ simulink 53 Điều kiển tốc độ.... Hình 6. Sơ đồ mơ phỏng khối DTC & controller trên Matlab/ simulink 3. Kết quả mơ phỏng. Thực hiện mơ phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ KĐB ba pha dùng phương pháp DTC cấp nguồn bởi bộ nghịch lưu áp 3 bậc NPC. Các tham số ngõ vào: Tại thời điểm t = 1s tốc độ tham chiếu là 500 rpm. Tại thời điểm t = 3s (ở trạng thái xác lập) momen tải là 950N.m. Tham số động cơ khơng đồng bộ 3 pha: Cơng suất định mức: 149200VA = 149,2 KVA. Điện áp dây – dây: 380Vrms Tần số điện áp: 50Hz Tốc độ định mức: 1500 rpm Điện trở stator: Rs = 0,01485 ohm Độ tự cảm cuộn stator: Ls = 0,3027 mH Điện trở rotor: Rr = 0,01485 ohm Độ tự cảm cuộn dây rotor: Lr = 0,3027 mH Độ hỗ cảm: Lm = 10,46 mH Số cặp cực: P = 2 Momen tải: T = 149,2 * 9550 / 1500 = 950 N.m Thơng số của khối DTC: Tính từ thơng định mức: 0.8wb - Bộ điều khiển momen cĩ Kp = 1,5; Ki = 100 - Bộ điều khiển từ thơng cĩ: Kp = 250; Ki = 4000 - Bộ điều khiển tốc độ động cơ (speed controller) - Kp = 30, Ki = 200 - Phạm vi momen tại ngõ ra [-1200, 1200] - Thơng số của bộ nghịch lưu áp: - Điện áp DC cấp 480V - Tần số chuyển mạch 5kHz - Hệ số điều chế 0,5 Sơ đồ mơ phỏng trên matlab như hình 7. Hình 7. Sơ đồ mơ phỏng hệ truyền động động cơ khơng đồng bộ trên matlab Thực hiện điều chế độ rộng xung sĩng mang. Trường hợp tốc độ đặt thay đổi đột ngột, cĩ thực hiện hạn chế dịng khởi động ta nhận được dịng điện stator như hình 8. So với trường hợp ở hình 9 thì dịng điện khởi động lớn hơn khá nhiều. Trong trường hợp khơng khống chế dịng điện khởi động thì dịng stator tại thời điểm cĩ tải tĕng rất cao (>900V) (hình 10). Tốc độ thực của roto thay đổi theo tốc độ đặt và đáp ứng momen tương ứng ở hai trường hợp (*) và (**) như hình 11, 12, 13, 14. Hình 8. Dịng điện stator, tốc độ đặt thay đổi đột ngột, cĩ hạn chế dịng khởi động (*) 54 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Hình 9. Dịng điện stator, tốc độ đặt thay đổi từ từ, cĩ hạn chế dịng khởi động (**) Hình 10. Dịng điện stator, tốc độ đặt thay đổi từ từ khơng khống chế dịng khởi động Hình 11. Tốc độ rotor ứng với trường hợp (TH) (*) Kết quả so sánh giữa phương pháp DTC cổ điển và CPWM – DTC như trong bảng 1 và 2. Hình 12. Tốc độ rotor ứng với trường hợp (**) Hình 13. Đáp ứng momen ứng với TH (*) Hình 14. Đáp ứng momen ứng với TH (**) Bảng 1: Bảng so sánh dịng điện khởi động và tổng độ méo hài của dịng điện. Tốc độ Dịng điện khởi động (A) Tổng độ méo hài dịng điệnCPWM – DTC DTC cổ điển CPWM - DTC DTC cổ điển 0 lên 500 150 900 55,06 154,7 500 xuống 0 300 250 35,98 101,5 Bảng 2: Bảng so sánh độ gợn từ thơng stator và độ gợn momen. Tốc độ Độ gợn từ thơng stator (50Hz) Độ gợn momen (50Hz)CPWM – DTC DTC cổ điển CPWM - DTC DTC cổ điển 0 lên 500 0,0002823 0.00918 14,05 11,37 500 xuống 0 0.0002945 0.0007291 34,86 20,41 55 Điều kiển tốc độ.... 4. Kết luận. Bài báo đã trình bày những kết quả mơ phỏng của mơ hình hệ điều khiển tốc độ động cơ KĐB dùng phương pháp CPWM - DTC. Kết quả cho thấy với phương pháp CPWM – DTC đã cho độ gợn dịng điện stator nhỏ, độ gợn đáp ứng từ thơng stator nhỏ hơn so với phương pháp DTC cổ điển đồng thời khắc phục được trường hợp dịng điện khởi động tĕng cao tránh hư hỏng linh kiện bán dẫn. Tuy nhiên, độ gợn momen cịn lớn hơn so với DTC cổ điển. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Ehsan Hassankhan, and Davood A. Khaburi, DTC-SVM Scheme for Induction Motors Fed with a Three-level Inverter, World Academy of Science, Engineering and Technology 44 2008. [2]. Journal of electrical engineering, Direct Torque control of induction motor with fuzzy minimization torque ripple, Vol. 56, No. 7-8, 2005, 183–188. [3]. Kyo-Beum Lee, Student Member, IEEE, Joong-Ho Song, Member, IEEE, Ick Choy, and Ji-Yoon Yoo, Member, IEEE, Improvement of Low-Speed Operation Performance of DTC for Three-Level Inverter-Fed Induction Motors, IEEE Transactions on power electronics Vol. 48, No. 5, October 2001. [4]. Kyo-Beum Lee, Student Member, IEEE, Joong-Ho Song, Member, IEEE, Ick Choy, and Ji-Yoon Yoo, Member, IEEE, Torque Ripple Reduction in DTC of Induction Motor Driven by Three-Level Inverter With Low Switching Frequency, IEEE Transactions on power electronics Vol. 17, No. 2, March 2002. [5]. M. Lakshmi Swarupa, G. Tulasi Ram Das and P.V. Raj Gopal Simulation and Analysis of SVPWM Based 2-Level and 3-Level Inverters for Direct Torque of Induction Motor, International Journal of Electronic Engineering Research ISSN 0975 - 6450 Volume 1 Number 3 (2009) pp. 169–184. 2004. [6]. J. C. Trounce, S. D. Round, R. M. Duke, Comparison by simulation of three-level induction motor torque control schemes for electric vehicle applications,University of Canterbury New Zealand. [7]. J. C. Trounce, S. D. Round, R. M. Duke, Evaluation of Direct torque control using space vector modulation for electric vehicle applications, University of Canterbury New Zealand.