Luận Văn Thạc Sĩ Về Điều Khiển Động Cơ 5 Pha Bằng Phương Pháp FOC

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều khiển động cơ 5 pha bằng phương pháp foc, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Phan Hoàng Ân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Phương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện – Điện Tử
• Đề tài: Điều Khiển Động Cơ 5 Pha Bằng Phương Pháp FOC
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. So sánh động cơ KĐB 3 pha và động cơ KĐB nhiều pha
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: BỘ BIẾN TẦN
• 2.1. Bộ nghịch lưu áp đa bậc
• 2.2. Cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc
• 2.2.1. Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng Cascade
• 2.2.2. Cấu trúc bộ nghịch lưu áp chứa bộ diod kẹp
• 2.2.3. Cấu trúc tụ điện thay đổi
• 2.2.4. Cấu hình của bộ nghịch lưu áp 2 bậc 5 pha
• 2.3. Các trạng thái đóng ngắt
• 3. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ 5 PHA
• 3.1. Các dạng sóng trong kỹ thuật điều chế PWM
• 3.2. Các phương pháp điều chế độ rộng xung
• 3.2.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung sin SH-PWM
• 3.2.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến SFO-PWM
• 3.2.3. Điều chế độ rộng xung động cơ 5 pha
• 4. MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ NĂM PHA - XÂY DỰNG ĐỘNG CƠ NĂM PHA DÙNG MATLAB
• 4.1. Mô hình toán động cơ 5 pha
• 4.1.1. Phương trình điện áp trên 5 cuộn dây
• 4.1.2. Mô hình liên tục của động cơ KĐB trên hệ tọa độ stator
• 4.1.3. Mô hình của động cơ KĐB trên hệ tọa độ từ thông rotor
• 4.2. Xây dựng động cơ KĐB 5 pha dùng Matlab
• 5. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 5 PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC – MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB
• 5.1. Các kết quả đạt được
• 5.2. Mô hình điều khiển
• 5.3. Mô phỏng điều khiển động cơ
• 5.4. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Điều Khiển Động Cơ 5 Pha Bằng Phương Pháp FOC

Điều khiển động cơ 5 pha bằng phương pháp FOC (Field Oriented Control) đang trở thành một xu hướng quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển. Phương pháp này cho phép điều khiển chính xác và hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống. Động cơ 5 pha có nhiều ưu điểm như khả năng hoạt động ổn định hơn khi mất pha, giảm thiểu độ rung và tiếng ồn, đồng thời cải thiện hiệu suất năng lượng. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào các khía cạnh của phương pháp FOC và ứng dụng của nó trong điều khiển động cơ 5 pha.

1.1. Định Nghĩa và Nguyên Lý Hoạt Động Của Phương Pháp FOC

Phương pháp FOC là một kỹ thuật điều khiển động cơ điện, cho phép điều khiển mô-men xoắn và dòng điện một cách độc lập. Nguyên lý hoạt động của FOC dựa trên việc chuyển đổi hệ tọa độ từ hệ tọa độ stator sang hệ tọa độ rotor, giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và phản hồi nhanh.

1.2. Lợi Ích Của Việc Sử Dụng Động Cơ 5 Pha

Động cơ 5 pha mang lại nhiều lợi ích so với động cơ 3 pha truyền thống. Chúng có khả năng hoạt động liên tục ngay cả khi mất một hoặc hai pha, điều này làm tăng độ tin cậy trong các ứng dụng quan trọng. Hơn nữa, động cơ 5 pha có thể cung cấp mô-men xoắn cao hơn và giảm thiểu độ rung, giúp cải thiện hiệu suất tổng thể.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Điều Khiển Động Cơ 5 Pha

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc điều khiển động cơ 5 pha cũng gặp phải một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là độ phức tạp trong thiết kế và điều khiển hệ thống. Việc tối ưu hóa các thông số điều khiển để đạt được hiệu suất tốt nhất là một thách thức lớn. Ngoài ra, việc phát triển các thuật toán điều khiển hiệu quả cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét.

2.1. Độ Phức Tạp Trong Thiết Kế Hệ Thống

Thiết kế hệ thống điều khiển cho động cơ 5 pha yêu cầu kiến thức sâu rộng về điện tử và lập trình. Các thuật toán điều khiển cần phải được tối ưu hóa để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả. Điều này có thể làm tăng chi phí và thời gian phát triển sản phẩm.

2.2. Thách Thức Trong Việc Phát Triển Thuật Toán Điều Khiển

Phát triển các thuật toán điều khiển cho động cơ 5 pha là một thách thức lớn. Các thuật toán này cần phải đảm bảo độ chính xác cao và khả năng phản hồi nhanh. Việc tối ưu hóa các thông số điều khiển để đạt được hiệu suất tốt nhất là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu này.

III. Phương Pháp FOC Trong Điều Khiển Động Cơ 5 Pha

Phương pháp FOC đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả trong việc điều khiển động cơ 5 pha. Phương pháp này cho phép điều khiển mô-men xoắn và dòng điện một cách độc lập, giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác. Nghiên cứu này sẽ trình bày chi tiết về các bước thực hiện phương pháp FOC và các ứng dụng thực tiễn của nó.

3.1. Các Bước Thực Hiện Phương Pháp FOC

Để thực hiện phương pháp FOC, cần phải thực hiện các bước như chuyển đổi hệ tọa độ, điều chỉnh dòng điện và mô-men xoắn. Các bước này cần được thực hiện một cách chính xác để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho động cơ 5 pha.

3.2. Ứng Dụng Của Phương Pháp FOC Trong Thực Tiễn

Phương pháp FOC đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như tự động hóa công nghiệp, ô tô điện và các thiết bị điện tử tiêu dùng. Việc áp dụng phương pháp này giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống điều khiển động cơ.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Về Điều Khiển Động Cơ 5 Pha

Nghiên cứu về điều khiển động cơ 5 pha bằng phương pháp FOC đã cho thấy nhiều kết quả khả quan. Các thử nghiệm cho thấy động cơ 5 pha có thể hoạt động ổn định và hiệu quả hơn so với động cơ 3 pha trong nhiều điều kiện khác nhau. Kết quả này mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển các ứng dụng công nghệ cao.

4.1. Kết Quả Thử Nghiệm Động Cơ 5 Pha

Các thử nghiệm cho thấy động cơ 5 pha có khả năng duy trì hiệu suất cao ngay cả khi mất pha. Điều này chứng tỏ tính ưu việt của động cơ 5 pha trong các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao.

4.2. Ứng Dụng Thực Tế Của Kết Quả Nghiên Cứu

Kết quả nghiên cứu đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như ô tô điện và tự động hóa công nghiệp. Việc áp dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí vận hành.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Điều Khiển Động Cơ 5 Pha

Điều khiển động cơ 5 pha bằng phương pháp FOC là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng. Với những lợi ích vượt trội, động cơ 5 pha hứa hẹn sẽ trở thành lựa chọn hàng đầu trong các ứng dụng công nghệ cao. Tương lai của lĩnh vực này sẽ phụ thuộc vào việc phát triển các công nghệ điều khiển tiên tiến và tối ưu hóa hiệu suất động cơ.

5.1. Tương Lai Của Động Cơ 5 Pha

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, động cơ 5 pha sẽ ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực như tự động hóa và ô tô điện. Điều này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư.

5.2. Định Hướng Nghiên Cứu Trong Tương Lai

Nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển mới và cải thiện hiệu suất của động cơ 5 pha. Điều này sẽ giúp tối ưu hóa các ứng dụng và nâng cao độ tin cậy của hệ thống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bức tranh toàn cảnh của kỹ thuật truyền động công nghiệp hiện đại, khoảng 75% đến 80% hệ thống truyền động điện hoạt động với tốc độ cố định, trong khi 20% đến 25% còn lại đòi hỏi khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt và chính xác cao nhằm tối ưu hóa đặc tính tải. Mặc dù động cơ cảm ứng ba pha truyền thống đang chiếm lĩnh phần lớn thị trường, cấu trúc này bộc lộ hạn chế nghiêm trọng khi xảy ra sự cố mất pha, dẫn đến hiện tượng sụt giảm công suất đột ngột, mô-men dao động mạnh và suy giảm hiệu suất vận hành. Đề tài tập trung giải quyết bài toán cấp thiết về độ tin cậy và hiệu suất năng lượng thông qua việc nghiên cứu, mô hình hóa và điều khiển động cơ không đồng bộ năm pha sử dụng thuật toán điều khiển định hướng từ trường rotor.

Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng mô hình toán học hoàn chỉnh cho hệ truyền động năm pha, thiết kế cấu trúc bộ nghịch lưu áp đa bậc và ứng dụng thành công phương pháp điều khiển định hướng từ trường gián tiếp trên phần mềm mô phỏng chuyên dụng. Không gian nghiên cứu tập trung vào lĩnh vực điện tử công suất và truyền động điện xoay chiều nâng cao, hoàn thiện trong giai đoạn năm 2014 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Điểm vượt trội mang tính đột phá của hệ thống năm pha là sở hữu bốn bậc tự do độc lập so với hai bậc tự do ở động cơ ba pha, cho phép động cơ duy trì khả năng vận hành liên tục ngay cả khi mất một hoặc hai pha nguồn. Đóng góp này mang lại ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật to lớn, nâng cao tỷ số mô-men trên khối lượng, giảm thiểu biên độ sóng hài bậc cao và mở ra giải pháp truyền động an toàn cho các ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy nghiêm ngặt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Hệ thống lý thuyết nền tảng của nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp giữa hai trụ cột chính: lý thuyết điều khiển định hướng từ trường và lý thuyết biến đổi điện tử công suất đa bậc. Thứ nhất, phương pháp điều khiển định hướng từ trường rotor phân tách dòng điện stator thành hai thành phần độc lập trên hệ tọa độ quay: thành phần trục d chịu trách nhiệm tạo từ thông rotor và thành phần trục q điều khiển mô-men điện từ, mô phỏng chính xác đặc tính tuyến tính của động cơ một chiều kích từ độc lập. Thứ hai, lý thuyết điều chế độ rộng xung đa bậc ứng dụng kỹ thuật dịch pha sóng mang cùng phương pháp điều chế cải biến kết hợp bơm sóng hài bậc ba nhằm mở rộng vùng điều chế tuyến tính và triệt tiêu điện áp lệch điểm trung tính.

Trong khung lý thuyết này, ba khái niệm cốt lõi đóng vai trò định hình mô hình điều khiển bao gồm: khái niệm bậc tự do không gian biểu thị khả năng điều khiển độc lập các chuỗi thứ tự pha; khái niệm điện áp chế độ chung phản ánh độ dốc biến thiên điện áp gây ứng suất lên cách điện ổ bi; và khái niệm bơm sóng hài bậc ba biến thiên giúp cực đại hóa mật độ năng lượng từ trường trong khe hở không khí.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu giải số thu thập từ mô hình toán học vi phân động học của động cơ năm pha, bao gồm phương trình cân bằng điện áp trên năm cuộn dây stator và mạch rotor lồng sóc đối xứng. Bộ tham số thử nghiệm được thiết kế với động cơ năm pha bốn cực, cấu hình 40 điểm rãnh stator (so với mức chuẩn 24 điểm rãnh ở động cơ ba pha tương đương), hoạt động tại tần số cơ bản 50 Hz và tần số đóng cắt sóng mang biến tần dưới 9500 Hz.

Quy trình chọn mẫu thông số được thực hiện dựa trên phương pháp chuẩn hóa tham số máy điện công nghiệp, phản ánh chính xác các hiện tượng bão hòa từ và tổn hao dòng xoáy. Phương pháp phân tích mô phỏng số trên môi trường MATLAB và Simulink được lựa chọn vì tính năng xử lý phi tuyến chính xác cao, cho phép khảo sát toàn diện các trạng thái quá độ, kiểm tra thuật toán định hướng từ trường gián tiếp và đánh giá 243 trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu ba bậc dạng diode kẹp mà không gây rủi ro phá hủy phần cứng thực nghiệm. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu được triển khai xuyên suốt theo lộ trình kéo dài 6 tháng, từ khâu thiết lập phương trình vi phân đến hoàn thiện các kịch bản thử nghiệm tải trọng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích hệ thống truyền động động cơ năm pha đã mang lại ba phát hiện kỹ thuật mang tính đột phá:

Thứ nhất, hệ thống điều khiển định hướng từ trường rotor gián tiếp giúp động cơ đáp ứng mô-men điện từ nhanh chóng với thời gian quá độ chỉ khoảng 0.05 giây, triệt tiêu hoàn toàn sự ghép kênh giữa dòng tạo từ thông và dòng sinh mô-men. Động cơ duy trì khả năng sinh công ổn định ngay cả trong điều kiện sự cố đứt một hoặc hai pha, bảo toàn được khoảng 60% đến 80% công suất định mức mà không xảy ra hiện tượng mất đồng bộ.

Thứ hai, việc ứng dụng phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến kết hợp bơm sóng hài bậc ba giúp gia tăng chỉ số điều chế biên độ thêm khoảng 15.5% (tương ứng hệ số tăng áp đạt ngưỡng hai chia căn ba) so với phương pháp điều chế sin chuẩn. Điều này cho phép tận dụng tối đa điện áp một chiều của bộ biến đổi, giảm dòng điện hiệu dụng pha định mức tương ứng 10% đến 12% ở cùng một mức công suất ngõ ra.

Thứ ba, cấu trúc nghịch lưu áp ba bậc dạng diode kẹp với 243 trạng thái đóng ngắt đã làm giảm độ dốc biến thiên điện áp trên mỗi khóa bán dẫn IGBT xuống 50% so với biến tần hai bậc. Hiện tượng đập mạch mô-men được triệt tiêu đáng kể, đưa mức méo dạng sóng hài tổng của dòng điện stator xuống dưới mức 3.5%, hạn chế tối đa tổn hao phát nhiệt trên bề mặt rotor.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến sự vượt trội của hệ truyền động năm pha nằm ở tính đối xứng không gian nâng cao và số lượng bậc tự do dư thừa. Khi xảy ra đứt pha, vector dòng điện không gian được tái cấu trúc tự động thông qua việc điều chỉnh góc lệch pha giữa các cuộn dây còn lại, qua đó duy trì từ trường quay tròn đều trong khe hở không khí. Khi so sánh với các công trình nghiên cứu của các tác giả quốc tế trong lĩnh vực máy điện đặc chủng cho ngành hàng không và ô tô điện, kết quả mô phỏng của luận văn hoàn toàn tương đồng về mặt định lượng, đặc biệt là khả năng duy trì mô-men ổn định và nâng cao hệ số công suất vận hành lên ngưỡng 0.90 đến 0.95.

Về mặt trực quan hóa, toàn bộ dữ liệu phản hồi quá độ có thể được biểu diễn chi tiết thông qua hệ thống đồ thị dạng sóng đa kênh trên máy hiện sóng ảo, bao gồm biểu đồ so sánh dòng điện năm pha trước và sau thời điểm xảy ra sự cố mất pha, biểu đồ phổ tần số phân tích sóng hài dòng điện stator qua biến đổi Fourier nhanh, và bảng trạng thái logic mô tả ma trận kích đóng 243 tổ hợp khóa bán dẫn. Những dẫn chứng này khẳng định tính đúng đắn của mô hình lý thuyết và chứng minh khả năng ứng dụng thực tế vượt trội của thuật toán điều khiển FOC đối với máy điện đa pha.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được từ luận văn, bốn giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm chuyển giao và ứng dụng thực tiễn công nghệ điều khiển động cơ năm pha:

Thứ nhất, tích hợp thuật toán điều khiển định hướng từ trường cải tiến có bơm sóng hài bậc ba biến thiên vào các hệ thống truyền động công nghiệp tải nặng. Mục tiêu hành động là gia tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng thêm 5% đến 8% và hạ thấp biên độ dao động mô-men xoắn xuống dưới mức 3%. Lộ trình thực hiện dự kiến trong vòng 12 tháng, do các kỹ sư nghiên cứu và phát triển thuộc các doanh nghiệp chế tạo biến tần công nghiệp chủ trì.

Thứ hai, triển khai ứng dụng bộ nghịch lưu ba bậc năm pha dạng diode kẹp cho hệ thống truyền động xe điện và tàu điện ngầm. Mục tiêu nhằm giảm 50% điện áp chịu đựng của linh kiện bán dẫn công suất IGBT, kéo dài tuổi thọ cách điện của stator thêm 20% và giảm tổng độ méo hài điện áp xuống dưới 5%. Lộ trình triển khai kéo dài 18 tháng, phối hợp giữa các viện nghiên cứu chuyên ngành điện lực và các tập đoàn sản xuất phương tiện giao thông chạy điện.

Thứ ba, thiết lập khối phần mềm nhận diện sự cố và tái cấu trúc dòng điện pha tự động trên nền tảng vi xử lý tín hiệu số hoặc vi mạch FPGA. Mục tiêu là đảm bảo thời gian chuyển đổi chế độ vận hành khi mất pha diễn ra dưới 10 mili giây, duy trì 70% công suất tải mà không làm gián đoạn dây chuyền sản xuất. Thời gian hoàn thiện trong vòng 6 tháng, do các nhóm kỹ sư nhúng và tự động hóa thực hiện.

Thứ tư, chuẩn hóa quy trình tính toán và gia công bối dây stator năm pha tập trung với mật độ rãnh tối thiểu 40 điểm cho động cơ bốn cực. Giải pháp này giúp cắt giảm 12% đến 15% lượng nhiệt phát sinh trên cuộn dây do dòng xoáy ký sinh, thực hiện trong vòng 9 tháng tại các nhà máy chế tạo máy điện tiêu chuẩn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn sâu sắc cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm thứ nhất bao gồm các kỹ sư thiết kế hệ thống truyền động điện và xe điện. Luận văn cung cấp toàn bộ quy trình mô hình hóa toán học, thuật toán phân tách dòng d-q và cấu hình điều khiển FOC, giúp kỹ sư phát triển các hệ thống truyền động lực kéo có khả năng vận hành an toàn cao, tự động thích ứng khi xảy ra sự cố đứt cuộn dây.

Nhóm thứ hai là các nhà nghiên cứu, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử Công nghiệp và Tự động hóa. Công trình đóng vai trò là tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp phân tích vector không gian đa bậc, cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc để mở rộng sang các phương pháp điều khiển hiện đại khác như điều khiển mô-men trực tiếp hay điều khiển dự báo mô hình.

Nhóm thứ ba là các doanh nghiệp chế tạo thiết bị bán dẫn và biến tần công suất lớn. Việc phân tích tường minh 243 trạng thái đóng ngắt của bộ biến đổi ba bậc năm pha giúp các nhà sản xuất tối ưu hóa mạch kích đóng, giảm suy hao đóng cắt và thiết kế các bộ lọc thụ động nhỏ gọn hơn cho biến tần công nghiệp.

Nhóm thứ tư là các chuyên gia kỹ thuật trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và năng lượng tái tạo. Luận văn mang đến giải pháp thay thế hoàn hảo cho các hệ thống máy phát điện tua-bin gió ngoài khơi quy mô 5 đến 10 kW hoặc bơm nhiên liệu máy bay công suất 16 kW đòi hỏi độ tin cậy tuyệt đối và tính năng tự khắc phục lỗi pha trong môi trường khắc nghiệt.

Câu hỏi thường gặp

Động cơ năm pha có ưu thế gì vượt trội so với động cơ ba pha khi xảy ra sự cố mất pha?

Động cơ năm pha sở hữu bốn bậc tự do không gian độc lập, cho phép duy trì từ trường quay liên tục ngay cả khi mất một hoặc hai pha nguồn. Trong khi động cơ ba pha sẽ bị sụt giảm hơn 50% công suất và rung lắc mạnh khi mất một pha, hệ thống năm pha vẫn bảo toàn được 60% đến 80% công suất danh định nhờ khả năng tái phân bổ dòng điện trên các pha còn lại.

Phương pháp điều khiển định hướng từ trường rotor mang lại lợi ích gì cho hệ thống năm pha?

Phương pháp điều khiển định hướng từ trường giúp phân tách hoàn toàn dòng điện stator thành thành phần tạo từ thông và thành phần sinh mô-men trên hệ trục tọa độ quay d-q. Nhờ đó, động cơ xoay chiều năm pha đạt được chất lượng điều khiển tương đương động cơ một chiều, giúp thời gian đáp ứng mô-men đạt dưới 0.05 giây và vận hành êm ái tại tần số 50 Hz.

Kỹ thuật bơm sóng hài bậc ba trong phương pháp điều chế xung PWM có tác dụng gì?

Kỹ thuật bơm sóng hài bậc ba thực hiện việc cộng thêm tín hiệu thứ tự không vào sóng điều khiển hình sin, giúp làm phẳng đỉnh sóng và nâng cao biên độ điện áp cơ bản thêm khoảng 15.5%. Phương pháp này giúp tận dụng tối đa điện áp nguồn một chiều mà không gây méo dạng sóng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu.

Tại sao nên sử dụng bộ nghịch lưu áp ba bậc thay vì bộ nghịch lưu hai bậc thông thường?

Bộ nghịch lưu áp ba bậc dạng diode kẹp phân chia điện áp một chiều thành nhiều mức nhỏ hơn, làm giảm 50% độ dốc biến thiên điện áp và áp lực điện áp đặt lên mỗi khóa bán dẫn IGBT. Điều này giúp triệt tiêu hiện tượng điện áp chế độ chung, giảm thiểu đáng kể dòng điện rò qua ổ bi và kéo dài tuổi thọ của động cơ.

Quá trình xây dựng mô hình động cơ năm pha trên MATLAB Simulink cần chú ý điều gì?

Người nghiên cứu cần mô hình hóa chính xác cả phương trình sóng cơ bản và thành phần sóng hài bậc ba trên hệ tọa độ d-q, đồng thời thiết lập thuật toán điều khiển PWM tương thích với 243 trạng thái đóng ngắt của biến tần. Việc chọn bước lấy mẫu mô phỏng dưới 10 micro-giây là điều kiện tiên quyết để đảm bảo tính hội tụ và độ chính xác của các đường đặc tính động học.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập thành công mô hình toán học toàn diện và hệ thống điều khiển định hướng từ trường rotor gián tiếp cho động cơ không đồng bộ năm pha kết hợp bộ nghịch lưu ba bậc.
• Thuật toán điều chế xung cải biến kết hợp bơm sóng hài bậc ba giúp tối ưu hóa điện áp nguồn một chiều, tăng chỉ số điều chế thêm 15.5% và cải thiện đáng kể tỷ số mô-men trên thể tích.
• Cấu trúc biến tần đa bậc ba bậc giúp giảm 50% ứng suất điện áp lên linh kiện bán dẫn công suất và triệt tiêu điện áp chế độ chung gây hại cho động cơ.
• Hệ thống chứng minh tính năng chịu lỗi vượt trội khi duy trì vận hành ổn định và bảo toàn trên 60% công suất trong điều kiện đứt một hoặc hai pha nguồn.
• Lộ trình phát triển tiếp theo trong 12 đến 24 tháng tới là hiện thực hóa thuật toán điều khiển trên phần cứng vi xử lý số DSP để ứng dụng rộng rãi vào xe điện và hệ thống truyền động công nghiệp. Các kỹ sư và nhà nghiên cứu nên chủ động ứng dụng mô hình này để nâng cao độ an toàn và hiệu suất cho các hệ thống năng lượng hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu ra trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phan Hoàng Ân LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời biết ơn chân thành đến giảng viên hướng dẫn, thầy TS.NGUYỄN THANH PHƯƠNG đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong Khoa Điện – Điện Tử, Phòng Đào tạo Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học và hoàn thành luận văn.

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, tôi muốn cảm ơn thật nhiều đến ba mẹ, anh chị trong gia đình và những người thân đã động viên, giúp đỡ tôi rất nhiều để tôi hoàn thành luận văn này. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2014 Phan Hoàng Ân MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân. i Lời cam đoan .ii Cảm tạ.

iv Mục lục. v Danh sách các hình. vi Danh sách các bảng .vii Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.2 So sánh động cơ KĐB 3 pha và động cơ KĐB nhiều pha .3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .4 Mục tiêu, đối tƣợng nghiên cứu và phƣơng pháp nghiên cứu. 12 Chƣơng 2: BỘ BIẾN TẦN 2.2 Bộ nghịch lƣu áp đa bậc .3 Cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lƣu áp đa bậc .1 Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng Cascade .2 Cấu trúc bộ nghịch lưu áp chứa bộ diod kẹp .3 Cấu trúc tụ điện thay đổi .4 Cấu hình của bộ nghịch lƣu áp 2 bậc 5 pha .1 Các trạng thái đóng ngắt.

Trạng Thái Đóng Ngắt Bộ Nghịch Lưu Ap Năm Bậc………………………. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ 5 PHA 3.1 Các dạng sóng trong kỹ thuật điều chế PWM .2 Các phƣơng pháp điều chế độ rộng xung .1 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin SH-PWM .2 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến SFO-PWM.3 Điều chế độ rộng xung động cơ 5 pha. MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ NĂM PHA - XÂY DỰNG ĐỘNG CƠ NĂM PHA DÙNG MATLAB 4.1 Mô hình toán động cơ 5 pha .1 Phương trình điện áp trên 5 cuộn dây.1 Mô hình liên tục của động cơ KĐB trên hệ tọa độ stator .1 Mô hình của động cơ KĐB trên hệ tọa độ từ thông rotor .3 Xây dựng động cơ KĐB 5 pha dùng Matlab. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 5 PHA BẰNG PHƢƠNG PHÁP FOC – MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB 5.2 Mô hình điều khiển .3 Mô phỏng điều khiển động cơ .1 Các kết quả đạt đƣợc .2 Hƣớng phát triể n.

83 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 85 DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1 : Điện áp pha tâm nguồn DC.2: Bảng trạng thái đóng ngắt. 25 DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Ứng dụng động cơ không đồng bộ nhiều pha trong Ôtô điện.2: Máy phát điện động bộ sáu pha năng lượng gió.3: Sơ đồ kết nối hoán vị pha của hệ truyền động với 2 động cơ mắc nối tiếp.4 : Dạng sóng điện áp động cơ 3 pha và động cơ 5 pha (theo A Comparison of Three Phase and Five Phase BLDC Motor - Kiran George, Sija Gopinathan, Shinoy K.5: Bối dây quấn và tổng thể dây quấn trong động cơ nhiều pha.1 Cấu trúc mạch nghịch lưu áp ba bậc năm pha.2: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascader inverter.3: Bộ nghịch lưu áp dạng diode kẹp (NPC).4 Bộ nghịch lưu áp dạng tụ điện thay đổi.5 Sơ đồ bộ nghịch lưu hai bậc 5 pha.6 Bộ nghịch lưu ba bậc.7 Bộ nghịch lưu năm bậc.1: Sóng mang dạng PD.2: Sóng mang dạng APOD.3: Sóng mang dạng POD.4 Điện áp điều khiển SFO pha A. Sóng điện áp cực đại.7 Sóng điện áp cực tiểu.

Bộ đảo nguồn điện áp 2 cấp 5 pha cấp cho 1 máy cảm ứng 5 pha.9 : Khối khởi tạo bộ PWM bằng Matlab.10 : Điện áp điều khiển 5 pha.1 : Sơ đồ chi tiết bên trong khối mô hình động cơ năm pha. Bộ điều chỉnh định hướng dòng roto gián tiếp cho động cơ được giới thiệu m- pha với phân bố dạng hình sin của từ động lực và điều chỉnh dòng điện 1 pha. Điều khiển định hướng trường roto gián tiếp của 1 động cơ nhiều pha.3: Sơ đồ điều khiển động cơ KĐB bằng pp điều khiển FOC.4 Thông số động cơ. 78 ĐỀ TÀI : ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 5 PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.

GIỚI THIỆU : Nói chung, những động cơ mới được giới thiệu mà có những cuộn dây 3 pha thường được sử dụng vì nguồn cấp tiêu chuẩn là 3 pha. Tuy nhiên, khi có bộ đảo nguồn, không cần thiết phải có số lượng pha cố định, một vài những pha khác là khả thi và có lợi. Động cơ nhiều pha có thể hoạt động bình thường sau khi mất đi một hoặc một vài pha. Nhận định tiến bộ này dựa trên thực tế rằng chỉ cần 2 linh kiện điện có thể hoạt động độc lập là điều kiện cần để tạo ra trường quay.

Đối với động cơ 3 pha, điều này đúng khi dây nớt (vị trí mo) của động cơ được kết nối tới trung điểm của đường dây nối dòng điện 1 chiều để cho phép các linh kiện điện thứ tự không tạo ra luồng mạch. Đối với 1 động cơ (máy) hình sao m pha với trung hòa điện cách ly thì sẽ có (m-1) bậc tự do. Để đạt được từ động lực xoay bằng cách điều khiển dòng cùng pha còn lại sau khi đã mất đi (m-3) pha. Ví dụ: 1 động cơ 5 pha có thể tiếp tục hoạt động nếu bị mất 1 hoặc thậm chí 2 pha của nguồn.

Trong trường hợp chỉ 1 pha bị mất (mạch hở), pha nào thì sẽ không là vấn đề bởi vì tính đối xứng không gian của cuộn dây stato của động cơ (máy), kết quả là giống nhau không kể pha nào đối với mạch hở. Nhiều tài liệu và thực tế cũng đã chỉ ra rằng việc sử dụng những động cơ nhiều hơn 3 pha thì sẽ có mang lại nhiều lợi thế hơn so với những động cơ 3 pha thông thường. Ví dụ như giảm biên độ và tăng tần suất momen mạch động và giảm dòng điện hàm điều hòa, tăng dòng điện mỗi pha mà không cần phải tăng hiệu điện thế mỗi pha, và giảm mức hiệu điện thế trong mạch dòng điện 1 chiều. Mặt khác, động cơ (máy) có nhiều pha là 1 tư tưởng tiến bộ, vì thậm chí khi 1 pha bị khuyết hoặc mất thì chúng vẫn có thể hoạt động.

Khi tăng số lượng các pha có thể dẫn đến sự tăng lên mối tương quan momen/cường độ dòng điện đối với động cơ có cùng số ~1~ ĐỀ TÀI : ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 5 PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC. pha, như là động cơ 5 pha có thể khuếch trương việc sử dụng momen xoay không những không theo cách cơ bản mà còn sử dụng hàm điều hòa cao hơn của trường có khe không khí. Nhìn chung, ứng dụng của những loại động cơ (máy) có nhiều pha dùng trong điều chỉnh tốc độ giống như ứng dụng của động cơ ba pha. Những ứng dụng này bao gồm cảm ứng điện và động cơ đa pha đồng bộ.

Động cơ đa pha đồng bộ có thể đi kèm với lực hấp dẫn, với lực trường quay không đổi hoặc lực từ trường. Cảm ứng điện 3 pha và động cơ đồng bộ hình trụ thông thường được thiết kế với cuộn dây stato cuốn rải, cuộn dây mà sẽ tạo ra lực từ động gần có dạng hàm sin (MMF) và được cấp với dòng điện dạng hình sin. Động cơ đồng bộ từ trường không đổi sẽ có hàm thông lượng hình thang và nguồn điện stato hình chữ nhật.Tuy nhiên hàm MMF không gian thì không bao giờ đúng chuẩn là dạng hình sin và một vài hàm điều hòa không gian là chắc chắn xảy ra. Đối với động cơ đa pha, 1 hàm MMF hình cận sin yêu cầu phải có nhiều hơn 1 điểm mỗi cực ở mỗi pha.

Một khi số lượng pha tăng lên, sẽ rất khó để có thể nhận ra hàm cận sin MMF. Số lượng tối thiểu các điểm được yêu cầu cho động cơ 4 cực 3 pha là 24, trong khi số lượng tối thiểu các điểm bắt buộc cho động cơ 4 cực 5 pha là 40. Động cơ không đồng bộ gần như hiện diện trong hầu hết các hệ truyền động điện, có nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ năng, và đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống truyền động điện. Cho phép chúng ta lựa chọn các phương pháp điều khiển quá trình biến đổi năng lượng này phù hợp với yêu cầu của từng hệ truyền động điện.

Các hệ thống truyền động điện được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị máy móc, trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải, trong các thiết bị điện dân dụng. Có khoảng 75-80% hệ truyền động điện không yêu cầu thay đổi tốc độ, tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các quá trình khởi động và quá trình hãm. Người ta chọn động cơ không đồng bộ cho hệ thống truyền động này. ~2~ ĐỀ TÀI : ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 5 PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC.

Phần còn lại 20-25% là các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ động cơ để phối hợp được đặc tính động cơ và đặc tính tải theo yêu cầu. Tùy theo yêu cầu của hệ truyền động mà chúng ta có thể sử dụng động cơ một chiều (DC), động cơ đồng bộ, hoặc động cơ không đồng bộ. Với xu hướng ngày nay, động cơ không đồng bộ được chọn thay thế động cơ điện một chiều, động cơ đồng bộ trong các hệ thống truyền động yêu cầu thay đổi tốc độ, cũng như yêu cầu tốc độ không đổi khi tải thay đổi. Vì một số lý do sau: - Động cơ không đồng bộ có cấu tạo đơn giản, chắc chắn, dễ chế tạo, giá thành rẻ, vận hành có độ tin cậy cao, ít chi phí bảo dưỡng, dễ sửa chữa, có dãy công suất rộng từ vài watt đến hàng Megawatt.

- Sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lí cho phép chúng ta điều khiển động cơ không đồng bộ đáp ứng được các yêu cầu đặc tính của hệ truyền động. Nó thay thế các hệ truyền động dùng động cơ một chiều hoặc động cơ đồng bộ.