Bài giảng Điều khiển máy điện - Bài: Scalar Control of Induction Motor. Space Vector PWM - Nguyễn Ngọc Tú

Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Điều khiển máy điện Scalar Control of Induction Motor Space Vector PWM Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Scalar Control – Điều khiển vô hướng • Điều khiển vô hướng: thay đổi độ lớn của các biến điều khiển • Điều khiển vector: thay đổi cả độ lớn và pha của các biến điều khiển • Chất lượng động học của điều khiển vô hướng kém hơn điều khiển vector nhưng thực hiện đơn giản hơn Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Speed Control • 3 phương pháp đơn giản để thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ: - Giảm biên độ điện áp cung cấp - Điều chỉnh điện trở mạch Rotor (chỉ với động cơ Rotor dây quấn) - Điều chỉnh điện áp và tần số Stator Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Luật điều khiển V/f Mục đích duy trì từ thông không đổi khi thay đổi tần số Ф = L.I V = Z.I = (ωL).I + Rs.I V ~ 2πf.Ф (bỏ qua R.I)  Ф ~ (1/4,44).(V/f) Ở vùng tốc độ thấp, không thể bỏ qua thành phần R.I (f nhỏ nên điện áp rơi trên R.I trở nên đáng kể so với rơi trên điện kháng). Do đó đặc tính V/f thường bắt đầu tại V0 > 0 để bù lại sụt áp do R.I V 0 Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Luật điều khiển V/f Nếu từ thông = hằng số, động cơ sẽ tạo mô-men như nhau nếu tốc độ trượt giống nhau Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Điều khiển V/f = const vòng hở Ba vùng hoạt động của động cơ IM • Vùng 1: giữ độ trượt không đổi và ổn định dòng Stator để nhận được mô-men hằng số • Vùng 2: giữ điện áp Stator bằng định mức và ổn định dòng Stator để có công suất không đổi • Vùng 3: giữ điện áp Stator bằng định mức và ổn định độ trượt (không vượt quá mô- men cực đại) Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Điều khiển V/f = const vòng hở Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Điều khiển V/f = const vòng hở • Sơ đồ khối minh họa Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Điều khiển V/f = const vòng hở • Minh họa cho tải quạt, bơm (TL=Kr 2) Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Tiết kiệm năng lượng với VFD Variable Frequency Drives Năng lượng được tiết kiệm đáng kể với bộ VFD so với khi tần số không đổi Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Điều chế độ rộng xung Sine PWM và Space Vector PWM Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Sine PWM – dòng điện AC Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Mô hình bộ nghịch lưu DC – AC đơn giản +V= Vdc= DC link +V PWM1H PWM1L ĐC KĐB 3phaPWM2H PWM2L PWM3H PWM3L a b c n cba Vab= Van-Vbn Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Sine PWM – dòng điện AC Tín hiệu điều khiển sine-tam giác, PWM Điện áp pha Van và Vbn, và điện áp dây Vab www.ewh.ieee.org/soc/es/Nov1998/08/PWMINV.HTM van vbn Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Sine PWM – dòng điện AC Các giá trị pha a (cực G, dòng điện pha, dòng điện trên khóa công suất, dòng qua diode) www.ewh.ieee.org/soc/es/Nov1998/08/PWMINV.HTM Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện 22 Nguyên lý của Space vector PWM •Coi điện áp sine như một vector độ lớn không đổi quay với vận tốc không đổi •PP này xấp xỉ điện áp chuẩn Vref bằng một tổ hợp 8 switching patterns (V0 tới V7) •Chuyển hệ qui chiếu abc sang αβ: vector điện áp 3 pha được chuyển thành vector trong hệ qui chiếu tĩnh αβ •Các vector V0 tới V7 chia thành 6 sector, mỗi sector 60 0 •Vref được tính từ 2 vector kề nhau và hai vector 0 Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Nguyên lý stator voltage vector   2 3 b c a v t a ( ) v t b ( ) v t c ( ) v tq s ( )  v t s( ) v t d s ( ) t v t a ( ) v tb ( ) v tc ( ) Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Vector không gian quay Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Vector khôg gian – dòng điện mỗi pha theo thời gian Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện +V PWM1H PWM1L ĐC KĐB 3pha PWM2H PWM2L PWM3H PWM3L S1 S2 S3 S4 S5 S6 A B C TPWM U1 U2U3 U4 U5 U6 Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện +V PWM1H PWM1L ĐC KĐB 3pha PWM2H PWM2L PWM3H PWM3L S1 S2 S3 S4 S5 S6 A B C T1= a.TPWM TPWM a.U1 U1 U2U3 U4 U5 U6 Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện +V PWM1H PWM1L ĐC KĐB 3pha PWM2H PWM2L PWM3H PWM3L S1 S2 S3 S4 S5 S6 A B C T1= a.TPWM T2= b.TPWM TPWM b.U2 a.U1 U1 U2U3 U4 U5 U6 Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện T1= a.TPWM T2= b.TPWM T0= c.TPWM TPWM b.U2 a.U1 c.U7 U1 U2U3 U4 U5 U6 +V PWM1H PWM1L ĐC KĐB 3pha PWM2H PWM2L PWM3H PWM3L S1 S2 S3 S4 S5 S6 A B C Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện PWM1H PWM1L Dead Time PWM1H PWM1L Dead time Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Space Vector: hệ thống liên tục Với Vs* và  được cập nhật mỗi ts, các khóa converter sẽ đóng cắt để nhận được Vs e j e Vds Vqs P W M Vds s Vqs s Space Voltage Vector Controller Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Switching Vectors • Để tạo ra sức từ động quay cần thiết trong stator của máy KĐB, bộ inverter cần được lái với các switching variable vector [a, b ,c] Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Biến đổi abc → αβ 1 1/ 2 1/ 22 3 0 3 / 2 3 / 2 a b c f f f f f                      •Khi rotor động cơ quay, reference vector (vector điện áp stator) cũng phải quay theo, vì thế điều này đòi hỏi phải thay đổi sector khi vector quay quanh trục α. α β α β Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Thiết lập • Xác định Vα, Vβ, Vref (giá trị đỉnh) và góc α Vref = frefx(V/f) = [Vα Vβ]’ α = wref x Ts • Xác định các khoảng thời gian T1, T2, T0 ( Ts = T0 + T1 + T2) • Xác định thời gian đóng ngắt cho các khóa S1 tới S6     1 2 60 000 111 1 1 2 60 (0 0 )s ref x x o T s x x ref T V TV T V T or T T T V V V        Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Sector 1 1 1 2 1 2 T TT T T ref 1 2 0 0 0 T1 T T ref 1 21 2 ref 1 dc 2 dc V V dt V dt V T V (T V T V ) cos( ) 1 cos( / 3)2 2 T V T V T V sin ( ) 0 sin ( / 3)3 3 (where, 0 α 60 ) s s s s α π α π                                               1 2 ref 0 1 2 s dc sin ( / 3 ) sin ( / 3) sin ( ) sin ( / 3) V1 ( ), T , a 2f V 3 s s s s T T a T T a T T T T                              29 Thiết lập Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Ub Ua Uc T T Ts 1 2 T0 2 T0 2 f s = 1 2 Ts T T Ts 2 1 T0 2 T0 2 Tín hiệu PWM tại sector 1 Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện  Tại Sector bất kì 1 2 0 3 1 sin 3 3 3 sin 3 3 sin cos cos sin 3 3 3 1 sin 3 3 1 1 cos sin sin cos 3 3 s dc s dc s dc s dc s dc s T Vref n T V T Vref n V T Vref n n V T Vref n T V T Vref n n V T T T                                                                               1 2 , n 1 6(Sector1 6)T    30 Thiết lập Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện (a) Sector 1. (b) Sector 2. Thời gian đóng ngắt của các khóa (S1 tới S6) (1) 31 Thiết lập Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện (c) Sector 3. (d) Sector 4. 32 Thiết lập Thời gian đóng ngắt của các khóa (S1 tới S6) (21) Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện (e) Sector 5. (f) Sector 6. 33 Thiết lập Thời gian đóng ngắt của các khóa (S1 tới S6) (3) Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện 34 Thiết lập Thời gian đóng ngắt của các khóa (S1 tới S6) (4) Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Mô phỏng dùng Simulink • Khối tính sector • Tính T1, T2 • Tạo xung PWM • Mô hình bộ nghịch lưu • Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Điều khiển vòng hở dùng SVPWM Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Điều khiển vòng hở V/f dùng SVPWM (Fs = 10kHz, f1 = 60Hz) Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Minh hoạ (1/4) Đặc tính moment – tốc độ của một động cơ 415V Nếu động cơ có tốc độ rotor = 0 được nối đột ngột vào nguồn điện 415V, 50Hz. Dòng khởi động sẽ gần bằng a/ 6A b/ 25A c/ 30 A Nếu động cơ có tốc độ rotor = 0 được nối đột ngột vào nguồn điện 220V, 50Hz. Dòng khởi động sẽ gần bằng a/ 12 A b/ 16 A c/ 30 A Nếu động cơ có tốc độ rotor = 0 được nối đột ngột vào nguồn điện 220V, 50Hz. Moment khởi động của động cơ sẽ gần bằng a/ 2.5 Nm b/ 5 Nm c/ 10 Nm Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Minh hoạ (2/4) Đặc tính moment – tốc độ của một động cơ 415V Động cơ được lái bởi bộ biến đổi V/f (415V, 50Hz). Nếu động cơ hoạt động ở 25 Hz, và moment tải là hằng số 10 Nm, dòng điện Is sẽ là a/ 5A b/ 6A c/ 25 A Nếu tần số đột nhiên tăng lên 50Hz (từ 25Hz), dòng điện Is sẽ là a/ 5 A b/ 20 A c/ 30 A Nếu tần số đột nhiên giảm xuống 40Hz (từ 50Hz), dòng điện Is sẽ là a/ -6 A b/ -12 A c/ -13 A d/ -16 A Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Minh hoạ(3/4) Động cơ 22KW, 380V, 50Hz, tốc độ định mức 1485 vòng/phút được nối với bộ biến tần cho ra điện áp định mức tại tần số định mức. Động cơ chạy với 50% tải định mức. Nếu tần số ra của bộ biến tần là 30Hz, tốc độ động cơ sẽ là a/ 900 vòng/phút tại 228V b/ 885 vòng/phút tại 190V c/ 1493 vòng/phút tại 300V d/ 892.5 vòng/phút tại 228V Động cơ chạy với 50% tải định mức. Nếu tần số ra của bộ biến tần là 65Hz, tốc độ động cơ sẽ là a/ 1950 vòng/phút b/ 1925 vòng/phút c/ 1899 vòng/phút d/ 1935 vòng/phút Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Minh hoạ(4/4) Động cơ 22KW, 380V, 50Hz, tốc độ định mức 1485 vòng/phút được nối với bộ biến tần cho ra điện áp định mức tại tần số định mức. Động cơ hoạt động với tải có đặc tính T = 1.1*wr (wr là tốc độ cơ rad/s). Động cơ có thể kéo được tải này ở tốc độ định mức không a/ Có, kéo dài b/ Không c/ Có, nhưng chỉ một vài phút Nếu tần số ra của bộ biến tần fe là 25Hz, với tải đặc tính như trên tốc độ động cơ sẽ là a/ 750 vòng/phút b/ 741 vòng/phút c/ 749.6 vòng/phút d/ 732 vòng/phút Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Bài tập • Bài tập 1.1. Điện áp ba pha 380V, 50Hz. Tại thời điểm t = 6ms. Tính usa, usb, usc, usα(=ud0) và (usβ=uq0), |us|? Biết góc pha ban đầu θ0 = 0. • Bài tập 1.2. Điện áp ba pha cấp cho bộ nghịch lưu là 380V, 50Hz. Tính điện áp pha lớn nhất mà bộ nghịch lưu có thể cung cấp cho động cơ. • Bài tập 1.3. Điện áp một pha cấp cho bộ nghịch lưu là 220V, 50Hz. Tính điện áp dây lớn nhất mà bộ nghịch lưu có thể cung cấp cho động cơ. • Bài tập 1.4. Điện áp DC cấp cho bộ nghịch lưu là 460V. Điện áp pha bộ nghịch lưu cấp cho động cơ là 150V và 50Hz. Tại thời điểm t = 6ms. Tính T1, T2 và T0? Biết góc pha ban đầu θ0 = 0 và tần số đóng cắt của bộ nghịch lưu là 20KHz. Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Bài tập T1 = a T2 = b T0 = c Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Bài tập Động cơ KĐB 4 cực, 380V, nối Y, 50Hz, tốc độ định mức1450 vòng/phút. Moment định mức của động cơ này là 40 N.m. Động cơ kéo tải có moment tải TL = 0.4*ωr (ωr là tốc độ cơ của rotor)và áp dụng luật điều khiển V/f thông qua một bộ nghịch lưu. -Tính tốc độ tối đa của động cơ -Với tốc độ trên, tính tần số ra của bộ nghịch lưu -Nếu tần số ra của bộ nghịch lưu là 15 Hz, tính tốc độ của động cơ Điều khiển máy điện – N N Tú Bộ môn Thiết bị điện Minh hoạ (2*/4)