Ứng dụng nghịch lưu áp năm mức dạng cầu H nối tầng vào cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

Tạp chí Khoa học và Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm Huế ISSN 1859-1612, Số 01(33)/2015: tr. 88-95 ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ÁP NĂM MỨC DẠNG CẦU H NỐI TẦNG VÀO CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA HOÀNG TRỌNG ĐỨC – NGUYỄN THỊ THỦY Trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế Tóm tắt: Bài báo trình bày ứng dụng nghịch lưu áp năm mức dạng cầu H nối tầng vào cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc theo phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor gián tiếp. Trong đó, sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang xếp chồng để điều khiển bộ nghịch lưu áp năm mức dạng cầu H nối tầng. Kết quả nghiên cứu được mô phỏng và kiểm chứng bằng phần mềm PSIM cho thấy chất lượng điện áp cung cấp và dòng điện stator của động cơ được cải thiện đáng kể so với trường hợp sử dụng nghịch lưu áp hai mức thông thường. Từ khóa: nghịch lưu áp cầu H nối tầng, sóng mang xếp chồng 1. MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, nghịch lưu áp đa mức dần được sử dụng rộng rãi trong những ứng dụng công suất lớn và điện áp cao. Điện áp ra của bộ nghịch lưu áp đa mức có dạng bậc thang, đây là dạng sóng dần tiệm cận dạng sóng sin điều hòa. Điện áp ra của bộ nghịch lưu áp đa mức có tổng độ méo sóng hài (Total Harmonics Distortion- THD) nhỏ hơn so với điện áp ra của bộ nghịch lưu áp 2 mức thông thường (conventional two-level inverter). Nếu tăng dần số mức trong điện áp ra của bộ nghịch lưu áp lên n mức thì tổng độ méo sóng hài của điện áp sẽ giảm dần về không. Bộ nghịch lưu áp đa mức phân thành các loại chính: bộ nghịch lưu áp dạng diode kẹp (diode clamped inverter), bộ nghịch lưu áp dạng Flying capacitor và bộ nghịch lưu áp dạng nối tầng (cascaded inverter) [1]. Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp đa mức dạng nối tầng tương đối đơn giản so với các bộ nghịch lưu áp khác, nhờ cấu trúc của bộ nghịch lưu không cần các diode kẹp (clamping diode) và các tụ cân bằng (flying capacitor). Một số phương pháp điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation-PWM) chính thường sử dụng để điều khiển bộ nghịch lưu áp đa mức với tần số đóng cắt cao như: điều chế theo không gian vectơ (Space Vector PWM method), điều chế theo phương pháp loại bỏ sóng hài (Selective Harmonics Elimination PWM method) và Subharmonic PWM method (SH-PWM) [1]. Trong đó, phương pháp SH-PWM rất đơn giản và dễ thực hiện nên được sử dụng phổ biến cho bộ nghịch lưu áp đa mức. Trong bài báo này, bộ nghịch lưu áp 5 mức được điều chế bởi phương pháp SH-PWM với các sóng mang bố trí theo kiểu xếp chồng COPWM-A (Carrier Overlapping PWM) [4]. Điện áp ra của bộ nghịch lưu cung cấp cho động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc (ĐCKĐB-RLS). Sử dụng cấu trúc điều khiển tựa từ thông rotor gián tiếp IFOC (Indirect Field Oriented Control) để điều khiển động cơ [1], [2], [3]. Với phương pháp điều khiển này, ĐCKĐB-RLS được điều khiển như động cơ một chiều. ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ÁP NĂM MỨC DẠNG CẦU H NỐI TẦNG... 89 2. NGHỊCH LƯU ÁP NĂM MỨC DẠNG CẦU H NỐI TẦNG 2.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động Bộ nghịch lưu áp đa mức dạng cầu H nối tầng được tạo thành từ những bộ nghịch lưu áp cầu H một pha ghép nối tầng với nhau và được cung cấp bởi các nguồn một chiều cách ly. Bộ nghịch lưu áp đa mức này có thể tạo ra sóng điện áp gần như sin từ các nguồn một chiều riêng biệt. Giá trị nguồn một chiều được xác định theo công thức: AB(1),maxUE= 0,612(n -1) (1), với UAB(1),max là điện áp dây lớn nhất tại tần số cơ bản ứng với chỉ số điều chế biên độ ma = 1, n là số mức của điện áp đầu ra bộ nghịch lưu. Hình 1 mô tả mạch động lực của bộ nghịch lưu áp 5 mức dạng cầu H nối tầng (Five level H-bridge cascaded multilevel inverter) được tạo thành từ hai bộ nghịch lưu áp dạng cầu H (đặt tên là H1 và H2) ghép nối tiếp trên mỗi pha. E 11S 11D 41D41S 31S 31D 21D21S E 12S 12D 42D42S 32S 32D 22D22S 1H 2H h1U h2U E E E E A B C O N Hình 1. Mạch động lực của bộ nghịch lưu áp 5 mức dạng cầu H nối tầng Mỗi tầng trong bộ nghịch lưu áp tạo ra 3 mức điện áp đầu ra là +E, 0 và −E nhờ nối với các nguồn một chiều để tạo ra điện áp xoay chiều ở đầu ra bên ngoài bằng sự tổ hợp khác nhau của bốn chuyển mạch S11, S21, S31 và S41. Để có mức điện áp +E, các khóa S11 và S41 đóng, ngược lại để có mức điện áp −E, các khóa S21 và S31 đóng. Khi các khóa S11 và S21 hoặc S31 và S41 đóng thì mức điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu áp cầu H là Zero. Bằng cách ghép nối tiếp hai bộ nghịch lưu áp một pha cầu H tạo ra điện áp đầu ra có 5 mức như trong hình 2. Một cách khái quát, điện áp ra của bộ nghịch lưu áp đa mức là tổng điện áp đầu ra của các bộ nghịch lưu áp cầu H riêng lẻ. Sự kết hợp của n bộ nghịch lưu áp trên mỗi pha sẽ tạo ra n khả năng mức điện áp theo chiều âm, n khả năng 90 HOÀNG TRỌNG ĐỨC – NGUYỄN THỊ THỦY mức điện áp theo chiều dương và mức điện áp 0. Như vậy, bộ nghịch lưu áp dạng nối tầng gồm n bộ nghịch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo ra điện áp pha có (2n + 1) mức và điện áp dây có (4n + 1) mức. Hình 2. Điện áp ra của bộ nghịch lưu áp 5 mức dạng cầu H nối tầng Bộ nghịch lưu áp này có bốn ưu điểm chính so với bộ nghịch lưu áp 2 mức thông thường, đó là: điện áp đặt lên các khóa giảm; tốc độ biến thiên điện áp (dV/dt) giảm; độ méo dạng sóng hài giảm; đạt được sự nhiễu âm và nhiễu động điện từ thấp. 2.2. Điều chế cho bộ nghịch lưu áp năm mức dạng cầu H nối tầng Phương pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang xếp chồng COPWM-A xuất phát từ sự cải biến của phương pháp điều chế độ rộng xung SH-PWM dùng sóng mang IPD (In-Phase Disposition). Để tạo xung kích đóng các khóa bán dẫn của bộ nghịch lưu, người ta dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản [1], [5]: - Sóng mang Ucr (carier signal) tần số cao dạng tam giác hoặc sin, - Điện áp điều khiển (reference signal) Ur (hoặc điện áp điều chế: modulation signal) dạng sin hoặc hình thang. Sóng điều khiển mang thông tin về độ lớn giá trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp đầu ra. Việc so sánh được thực hiện trong từng chu kỳ sóng mang để tạo ra mức điện áp mong muốn. Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì khóa bán dẫn ứng với sóng mang đó sẽ được kích đóng, ngược lại nếu sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang thì khóa bán dẫn sẽ bị kích khóa. Đối với nghịch lưu áp 5 mức, cần dùng 4 sóng mang cùng tần số fcr và cùng biên độ đỉnh-đỉnh Acr bố trí dịch mức cùng pha xếp chồng nhau, đối xứng qua trục nằm ngang. Khoảng cách giữa các đỉnh sóng mang theo trục thẳng đứng là Acr/2. Điện áp điều khiển có biên độ Ar và tần số fr, được bố trí nằm chính giữa các sóng mang (hình 3). Chỉ số điều chế biên độ ma và chỉ số điều chế tần số mf là: (n / 4) r a cr Am = A và crf r fm = f . ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ÁP NĂM MỨC DẠNG CẦU H NỐI TẦNG... 91 Hình 3. Các sóng mang và sóng điều khiển theo COPWM-A Các sóng mang Ucr1 và Ucr1- dùng để tạo xung đóng khóa S11 và S31 của bộ nghịch lưu áp một pha H1, còn các sóng mang Ucr2 và Ucr2- dùng để tạo xung đóng khóa S12 và S32 của bộ nghịch lưu áp một pha H2. Khi tín hiệu điều chế pha A (Ura) lớn hơn các sóng mang Ucr1 và Ucr2 sẽ tạo xung đóng các khóa S11 và S12 tương ứng. Các sóng mang Ucr1- và Ucr2- sẽ tạo xung đóng các khóa S31 và S32 khi Ura nhỏ hơn các sóng mang này. Xung đóng các khóa S41, S21, S42 và S22 là các tín hiệu bù của xung đóng các khóa S11, S31, S12 và S32. Dạng sóng điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu áp 5 mức dạng cầu H nối tầng có dạng bậc thang 5 mức như trong hình 2. 3. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC THEO PHƯƠNG PHÁP TỰA TỪ THÔNG ROTOR GIÁN TIẾP Mục đích của phương pháp tựa từ thông rotor gián tiếp (Indirect Field Oriented Control- IFOC) là: tạo ra một công cụ cho phép tách các thành phần dòng điện tạo ra từ thông và dòng điện tạo ra mômen quay từ dòng điện xoay chiều 3 pha trong cuộn dây stator của động cơ để điều khiển một cách độc lập giống như động cơ điện một chiều. Đối với động cơ một chiều, ta có: M 2 kt e 1 M u λ = k .i T = k .λ .i ⎧ ⎨ ⎩ (2). Từ thông λM chỉ phụ thuộc vào dòng kích từ ikt nên từ ikt có thể điều khiển và khống chế được λM. Mặt khác, tại mỗi thời điểm công tác của động cơ, do từ thông đã được điều chỉnh ổn định ở một giá trị không đổi nên mômen quay Te tỷ lệ thuận với dòng phần ứng iu. Đối với ĐCKĐB-RLS, ta có quan hệ giữa mômen quay, từ thông và các phần tử của vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ từ thông rotor (tọa độ dq): 92 HOÀNG TRỌNG ĐỨC – NGUYỄN THỊ THỦY m dr ds r m e p dr qs r L i 1 p L3T . Z . .i 2 L ⎧λ =⎪ + τ⎪ ⎨ ⎪ = λ ⎪⎩ (3) trong đó: λdr, ids, iqs, Lr, Lm, Zp, τr, p lần lượt là: từ thông rotor trên trục d, dòng điện stator trên trục d và q, điện cảm rotor, hỗ cảm giữa stator và rotor, số đôi cực từ, hằng số thời gian của rotor, toán tử Laplace. Phương trình (3) cho thấy, từ thông rotor có thể được tăng giảm gián tiếp thông qua tăng giảm ids, giữa λdr và ids có quan hệ trễ bậc nhất với hằng số thời gian τr. Nếu áp đặt nhanh và chính xác dòng ids thì có thể xem ids là đại lượng điều khiển của từ thông rotor (ids giữ vai trò tương tự như ikt). Nếu thành công trong việc điều chỉnh ổn định λdr tại mọi điểm công tác của động cơ, đồng thời thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng iqs thì có thể xem iqs là đại lượng điều khiển của mômen. Hình 5. Cấu trúc điều khiển ĐCKĐB-RLS theo IFOC Góc từ thông rotor: f r sl( )dtθ = ω +ω∫ (4), với msl qs r r L iω = τ λ . Khi giữ *rλ không đổi trong quá trình hoạt động ( * rp 0λ = ) thì * dsi là: * * ds r m 1i L = λ (5) Hình 4. Hệ tọa độ từ thông rotor ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ÁP NĂM MỨC DẠNG CẦU H NỐI TẦNG... 93 Dòng điện trên trục q: * *qs e* T r 1i T K = λ (6), với mT p r L3K . Z 2 L = . Hình 5 mô tả cấu trúc điều khiển ĐCKĐB-RLS theo IFOC. Trong đó khối nghịch lưu áp (Voltage source inverter-VSI) sử dụng nghịch lưu áp 5 mức dạng cầu H nối tầng. 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Mô phỏng cấu trúc điều khiển trong hình 5 bằng phần mềm PSIM với thông số của ĐCKĐB-RLS: Rs = 0.294 (Ω), Rr = 0.156 (Ω), Ls = 0.00139 (H), Lr = 0.0074 (H), Lm = 0.041 (H), Zp = 3, Ud = 380 (V). Các sóng mang COPWM-A có tần số fcr = 4050 (Hz), biên độ đỉnh-đỉnh Acr = 0,8 (V). Kết quả mô phỏng ứng với trường hợp động cơ chạy với tốc độ n = 1000 vòng/phút, fr = 50 (Hz). Hình 6. Điện áp dây của nghịch lưu áp 2 mức (a), 5 mức (b) Hình 7. Dòng điện stator khi dùng nghịch lưu áp 2 mức (a), 5 mức (b) Hình 6 và hình 7 mô tả dạng sóng của điện áp dây cung cấp cho động cơ và dòng điện stator ứng với trường hợp sử dụng bộ nghịch lưu áp 2 mức (a) và 5 mức (b). Đối với nghịch lưu áp 2 mức, tuy điện áp dây biến đổi đều đặn nhưng dòng điện stator bị méo dạng rất lớn, đặc biệt ở vị trí các đỉnh sóng sin, với biên độ hơn 5 (A). Khi sử dụng nghịch lưu áp 5 mức, kết quả mô phỏng thể hiện: điện áp dây có dạng đa mức, dạng (b) (a) (b) (a) 94 HOÀNG TRỌNG ĐỨC – NGUYỄN THỊ THỦY sóng này dần tiệm cận dạng sóng sin điều hòa; dòng điện stator có dạng sóng sin rõ nét, có độ méo dạng nhỏ và được cải thiện đáng kể so với trường hợp nghịch lưu áp 2 mức. Điều này cho thấy biên độ của thành phần sóng hài bậc cao trong điện áp dây và dòng điện stator được giảm đáng kể so với nghịch lưu áp 2 mức. Hình 7 mô tả dòng điện stator ở quá trình quá độ và ở trạng thái xác lập, với thời gian quá độ khoảng 0,3 giây. Ở chế độ không tải, dòng điện stator xác lập ở giá trị 15,8 (A). Khi đóng tải ở thời điểm 0,6 giây, dòng điện stator ổn định ở giá trị mới ứng với mômen tải bằng 20 (Nm). Hình 8. Mômen động cơ khi dùng nghịch lưu áp 2 mức (a), 5 mức (b) Hình 8 mô tả mômen động cơ ở hai trường hợp dùng bộ nghịch lưu 2 mức và 5 mức. Ở chế độ không tải, mômen động cơ bám theo giá trị 0 (Nm). Ở chế độ có tải, mômen động cơ cũng bám theo giá trị mômen tải 20 (Nm) và ổn định xung quanh giá trị này. Khi dùng nghịch lưu áp 5 mức chất lượng điện áp cung cấp cho động cơ được cải thiện đáng kể nên biên độ dao động của mômen giảm 10 lần so với trường hợp sử dụng nghịch lưu áp 2 mức. Điều này làm cho động cơ hoạt động êm hơn. Hình 9. Tốc độ động cơ khi dùng nghịch lưu áp 2 mức (a), 5 mức (b) (b) (a) (b) (a) ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ÁP NĂM MỨC DẠNG CẦU H NỐI TẦNG... 95 Tốc độ động cơ khi dùng cấu trúc điều khiển IFOC sử dụng nghịch lưu áp 2 mức và 5 mức được mô tả trong hình 9. Lúc đầu, động cơ hoạt động không tải với tốc độ 1000 vòng/phút. Sau khi đóng tải khoảng 0,2 giây, nhờ có bộ điều khiển tốc độ đã bám theo giá trị đặt 1000 vòng/phút. Đặc tính tốc độ khi dùng nghịch lưu áp 5 mức nhanh chóng xác lập đến vị trí cân bằng hơn nghịch lưu áp 2 mức. 5. KẾT LUẬN Kết quả mô phỏng thể hiện những ưu điểm của nghịch lưu áp 5 mức dạng cầu H nối tầng trong cấu trúc điều khiển IFOC so với nghịch lưu áp 2 mức, trong đó sử dụng kỹ thuật điều chế COPWM-A để điều chế cho bộ nghịch lưu áp. Nhờ sự cải thiện đáng kể chỉ số THD trong điện áp cung cấp cho động cơ và dòng điện stator đã mang đến đặc tính mômen và tốc độ có chất lượng khá tốt. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc điều khiển động cơ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bin Wu (2006). High-Power Converters And AC Drives, John Wiley & Sons. [2] N.P. Quang, J.-A. Dittrich (2008). Vector Control of Three-Phase AC Machines, Springer. [3] Sandeep Goyat, Rajesh Kr. Ahuja (July 2012). “Speed Control of Induction Motor using Vector or Field Oriented Control”, International Journal of Advances in Engineering & Technology, Vol 4(Issue 1), pp.475-482. [4] R.Seyezhai (August 2011). “Carrier Overlapping PWM Methods for Asymmetrical Multilevel Inverter”, International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST), Vol 3(8), pp.6630-6639. [5] R.Seyezhai (Jan 2012). “Inverter Sine Pulse Width Modulated Three-Phase Cascaded Multilevel Inverter”, International Journal of Advances in Engineering & Technology, Vol 2(1), pp. 602-610. Tilte: APPLICATION OF FIVE-LEVEL CASCADED H-BRIDGE INVERTER FOR CONTROL STRUCTURE OF THREE PHASES INDUCTION MOTOR Abstract: This paper presents the application of five-level cascaded H-bridge inverter for control structure of three phases induction motor with squirrel-cage rotor (IM) using indirect field oriented control method. The carrier overlapping pulse width modulation techniques used to control the five-level cascaded H-bridge inverter. The investigation results verified by simulation using PSIM show that the qualities of voltage supply and stator current of IM are significantly improved compared with the conventional two-level inverter. Keywords: cascaded H-bridge inverter, carrier overlapping ThS. HOÀNG TRỌNG ĐỨC TS. NGUYỄN THỊ THỦY Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế