Luận Văn Thạc Sĩ Về Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Sử Dụng Biến Tần Đa Bậc

• Tác giả: Nguyễn Phương Quang
• Người hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy Điện
• Đề tài: Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Bằng Biến Tần Đa Bậc
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Vị trí biến tần trong công nghiệp
• 1.2. Biến tần đa bậc
• 1.3. Vấn đề điện áp common mode (C.M)
• 1.4. Những vấn đề sẽ khai triển trong luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỒNG CƠ KĐB - BIẾN TẦN ĐA BẬC
• 2.1. Giới thiệu
• 2.2. Các nguyên tắc điều khiển tốc độ động cơ điện trong hệ truyền động đồng động cơ KĐB - biến tần đa bậc
• 2.3. Cấu trúc biến tần đa bậc
• 2.3.1. Cấu trúc nghịch lưu dạng Cascade
• 2.3.2. Cấu trúc nghịch lưu chứa cặp diode kép
• 2.3.3. Cấu trúc phối hợp
• 2.3.4. Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi
• 2.3.5. Nhận xét về các dạng só nghịch lưu đa bậc
• 2.4. Phương pháp điều chế vector không gian cho biến tần đa bậc
• 2.4.1. Giản đồ vector điện áp bộ biến tần ba bậc
• 2.4.2. Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu năm bậc
• 2.5. Phương Pháp Điều Chế Độ Rộng Xung Dùng Sóng Mang (Carrier based PWM)
• 2.5.1. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật điều chế PWM
• 3. CHƯƠNG 3: VẤN ĐỀ COMMON MODE TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG DÙNG BIẾN TẦN
• 3.1. Mạch common mode trong hệ truyền động biến tần động cơ
• 3.2. Các thông số điện ảnh hưởng đến độ bào mòn ở đỡ
• 3.3. Tác động của việc nối đất nguồn cung cấp lên điện áp common mode
• 3.4. Triệt giảm common mode thông qua việc lắp thêm tụ điện ngoài vào bộ biến tần
• 3.5. Phương thức thực hiện
• 3.6. Kiểm chứng qua thực nghiệm
• 3.7. Những nhận định về triệt giảm C.M thông qua việc lắp thêm tụ điện ngoài vào bộ biến tần
• 4. CHƯƠNG 4: BIỆN PHÁP XỬ LÝ COMMON MODE CỰC TIỂU TRONG BIẾN TẦN ĐA BẬC
• 4.1. Giới thiệu các phương án
• 4.2. Triệt bỏ hoàn toàn điện áp common mode
• 4.3. Triệt bỏ một phần điện áp common mode
• 4.4. Hệ thống chỉnh lưu cầu – nghịch lưu NPC
• 4.5. Chiến lược giảm điện áp C. Thực nghiệm
• 4.6. Kết luận
• 5. CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG PHƯƠNG THỨC TRIỆT GIẢM COMMON MODE TỐI ƯU, MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 5.1. Giới thiệu phương án
• 5.2. Kỹ thuật triệt giảm common mode phối hợp giữa SVPWM và CPWM
• 5.3. Khoái Tạo Tín Hiệu kích hoạt (Active Signal Generator)
• 5.4. Khoái Tạo Hàm Offset (Offset Generator)
• 5.5. Mô phỏng hệ truyền động với common mode cực tiểu
• 5.6. Lựa chọn mạch động lực
• 5.7. Mô phỏng hệ truyền động
• 5.8. Khoái xác định các cực trở
• 5.9. Khoái Giới Hạn giá trị offset
• 5.10. Khoái Hàm Vr 0,ref
• 5.11. Khoái định tỉ lệ thời gian đóng cắt K1, K2, K3
• 5.12. Khoái Tính Toán Tạo Voffset
• 5.13. Khoái Tính Common mode cực tiểu
• 5.14. Đánh giá kết quả mô phỏng - kết luận
• 6. CHƯƠNG 6: HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ ĐIỀU KHIỂN DỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR
• 6.1. Giới thiệu phương thức điều khiển dựa theo từ thông
• 6.2. So sánh với các phương thức điều khiển thông dụng
• 6.3. Thành lập mô hình các khối chức năng trong hệ điều khiển theo từ thông
• 6.4. Nguyên lý chung
• 6.5. Phép chuyển đổi tọa độ
• 6.5.1. Chuyển đổi qua lại giữa hệ trục (a,b,c) ↔ (α-β)
• 6.5.2. Chuyển đổi qua lại giữa hệ trục (d,q) ↔ (α-β)
• 6.6. Ước lượng từ thông rotor
• 6.7. Mạch phân ly
• 6.8. Xác định hàm từ thông yêu cầu
• 6.9. Tính toán thông số cho các khối
• 6.9.1. Khối ước tính từ thông rotor
• 6.9.2. Khối chuyển đổi hệ trục tọa độ
• 6.9.3. Khối xác định giá trị từ thông và tốc độ yêu cầu
• 6.9.4. Khối phân ly các thành phần điều khiển
• 6.10. Mô phỏng hệ truyền động
• 6.10.1. Thiết lập sơ đồ mạch trong PSIM
• 6.10.2. Khối ước lượng từ thông rotor
• 6.10.3. Khối phân ly hai thành phần điều khiển
• 6.10.4. Các khối chuyển đổi
• 6.10.5. Mạch thay đổi chế độ tải
• 6.10.6. Mô phỏng hệ truyền động
• 6.10.7. Đánh giá kết quả mô phỏng - kết luận
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Giới thiệu về động cơ không đồng bộ và biến tần

Động cơ không đồng bộ là một trong những loại động cơ điện phổ biến nhất trong công nghiệp. Chúng được sử dụng rộng rãi nhờ vào tính năng đơn giản, độ bền cao và chi phí bảo trì thấp. Biến tần là thiết bị quan trọng trong việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ. Biến tần đa bậc cho phép điều chỉnh điện áp và tần số cung cấp cho động cơ, từ đó thay đổi tốc độ quay của động cơ một cách linh hoạt. Việc sử dụng biến tần không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống. Theo nghiên cứu, việc điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần đa bậc có thể giảm thiểu tổn thất năng lượng lên đến 30%.

1.1. Vai trò của biến tần trong công nghiệp

Biến tần đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ. Chúng cho phép điều chỉnh tốc độ quay của động cơ theo yêu cầu của quá trình sản xuất. Việc điều khiển tốc độ động cơ không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn giảm thiểu chi phí vận hành. Biến tần đa bậc, với khả năng điều chỉnh điện áp và tần số, giúp cải thiện hiệu suất làm việc của động cơ. Hệ thống điều khiển này cũng giúp giảm thiểu tiếng ồn và rung động, tạo ra môi trường làm việc an toàn hơn cho công nhân.

II. Công nghệ điều khiển tốc độ động cơ

Công nghệ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ đã phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Các phương pháp điều khiển hiện đại như điều khiển vector và điều khiển PWM (Pulse Width Modulation) đã được áp dụng rộng rãi. Điều này cho phép người dùng có thể điều chỉnh tốc độ động cơ một cách chính xác và hiệu quả. Hệ thống điều khiển này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng. Việc sử dụng cảm biến tốc độ trong hệ thống điều khiển cũng giúp nâng cao độ chính xác trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ.

2.1. Các phương pháp điều khiển

Có nhiều phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ, trong đó điều khiển vector và PWM là hai phương pháp phổ biến nhất. Điều khiển vector cho phép điều chỉnh mô men và tốc độ một cách độc lập, giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ. Trong khi đó, PWM giúp điều chỉnh điện áp cung cấp cho động cơ, từ đó thay đổi tốc độ quay một cách linh hoạt. Việc áp dụng các phương pháp này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao độ bền của động cơ.

III. Vấn đề điện áp common mode trong hệ thống

Điện áp common mode là một trong những vấn đề quan trọng cần được giải quyết trong hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ. Điện áp này có thể gây ra các hiện tượng không mong muốn như nhiễu điện từ và tổn thất năng lượng. Việc giảm thiểu điện áp common mode không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống mà còn bảo vệ các thiết bị điện tử nhạy cảm. Các phương pháp như sử dụng bộ lọc và thiết kế mạch điều khiển hợp lý đã được nghiên cứu và áp dụng để giảm thiểu vấn đề này.

3.1. Tác động của điện áp common mode

Điện áp common mode có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực đến hiệu suất của hệ thống điều khiển động cơ. Nó có thể làm giảm độ tin cậy của các thiết bị điện tử và gây ra các hiện tượng nhiễu điện từ. Việc kiểm soát điện áp common mode là rất cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các biện pháp giảm thiểu điện áp common mode có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống lên đến 20%.

IV. Kết luận

Việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng biến tần đa bậc là một giải pháp hiệu quả trong công nghiệp hiện đại. Công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống. Các vấn đề liên quan đến điện áp common mode cần được chú trọng để đảm bảo hoạt động ổn định và bền bỉ của hệ thống. Tương lai của công nghệ điều khiển động cơ sẽ tiếp tục phát triển với nhiều cải tiến mới, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ (ĐKĐC) đóng vai trò then chốt trong nâng cao hiệu suất và độ ổn định của hệ thống truyền động. Theo ước tính, các hệ thống sử dụng biến tần đa bậc ngày càng phổ biến do khả năng giảm thiểu sóng hài và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra. Tuy nhiên, vấn đề điện áp common mode (C.M) vẫn là thách thức lớn, gây ra hiện tượng bào mòn ổ đỡ, nhiễu điện từ và giảm tuổi thọ thiết bị. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và tối ưu hóa phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ sử dụng biến tần đa bậc với điện áp common mode cực tiểu, nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực của C.M mà vẫn giữ được các đặc tính kỹ thuật ưu việt của hệ truyền động.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ truyền động động cơ không đồng bộ 3 pha công suất khoảng 800 kW, điện áp 4.16 kV, tần số 60 Hz, được vận hành tại các nhà máy điện và thiết bị mạng tại thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ năm 2000 đến 2005. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm thiểu tổn hao điện năng, tăng tuổi thọ thiết bị và cải thiện độ ổn định vận hành, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất công nghiệp. Các chỉ số quan trọng như điện áp common mode được giảm từ 326 V xuống còn khoảng 90 V (giảm 3 lần), tổn hao công suất do đóng cắt giảm đáng kể, đồng thời giảm thiểu nhiễu điện từ và hiện tượng bào mòn cơ khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết biến tần đa bậc (Multi-level Inverter) và lý thuyết điều khiển vector không gian (Space Vector PWM - SVPWM).

• Biến tần đa bậc: bao gồm các cấu trúc nghịch lưu như cascade, diode clamped (NPC), và flying capacitor inverter, cho phép tạo ra điện áp đầu ra với nhiều mức khác nhau, giảm sóng hài và điện áp common mode. Các khái niệm chính gồm: số bậc nghịch lưu, vector điện áp, điện áp common mode, và các dạng sóng mang tam giác (PD, APOD, POD).

• Điều khiển vector không gian (SVPWM): phương pháp điều khiển tối ưu dựa trên việc biến đổi 3 pha điện áp thành vector quay trong không gian α-β, giúp giảm tổn hao và cải thiện chất lượng sóng điện áp. Các khái niệm chính gồm: vector cơ bản, vector redundant, thời gian tác động của các vector, và kỹ thuật chọn trạng thái redundant (RSS).

Ngoài ra, luận văn còn áp dụng các lý thuyết về điện dung nội tại của động cơ, ảnh hưởng của điện áp common mode đến hiện tượng bào mòn ổ đỡ, và các phương pháp giảm thiểu điện áp C.M thông qua việc lắp thêm tụ điện ngoài và điều chỉnh chiến lược PWM.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm thực tế trên hệ thống động cơ không đồng bộ 3 pha công suất 37 kW đến 800 kW, điện áp 480 V đến 4.16 kV, kết hợp với mô phỏng trên phần mềm PSIM và MATLAB. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các bộ nghịch lưu đa bậc với số bậc từ 3 đến 9, sử dụng các phương pháp điều khiển SVPWM, CBPWM và DPWM.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Phân tích lý thuyết và mô hình toán học của biến tần đa bậc và điện áp common mode.
• Mô phỏng các chiến lược điều khiển PWM để đánh giá điện áp C.M và sóng hài.
• Thí nghiệm thực tế đo điện áp common mode, dòng điện rotor, và tổn hao điện năng.
• So sánh hiệu quả các phương pháp giảm điện áp C.M qua các chỉ số như điện áp RMS, tổn hao công suất, và tuổi thọ thiết bị.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn khảo sát lý thuyết, thiết kế mô hình, thực hiện mô phỏng, thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Giảm điện áp common mode hiệu quả bằng biến tần đa bậc NPC: Thí nghiệm trên biến tần NPC với PWM tối ưu cho thấy điện áp common mode giảm từ 326 V xuống còn khoảng 90 V, tương đương giảm 72%. Điều này giúp giảm đáng kể hiện tượng bào mòn ổ đỡ và nhiễu điện từ.

2. Chiến lược điều khiển PWM phối hợp SVPWM và CPWM: Phương pháp điều khiển phối hợp tạo ra tín hiệu kích hoạt tối ưu, giảm tổn hao đóng cắt và điện áp C.M xuống mức thấp nhất, cải thiện hiệu suất hệ thống khoảng 15% so với phương pháp truyền thống.

3. Ảnh hưởng của điện dung nối đất và lắp thêm tụ điện ngoài: Việc lắp thêm tụ điện ngoài vào đầu ra biến tần làm giảm điện áp C.M xuống còn khoảng 17 V trong một số trường hợp, giảm hơn 90% so với cấu hình không có tụ điện, đồng thời giảm tổn hao điện năng do dòng điện xoáy.

4. Mô hình toán học và mô phỏng chính xác: Mô hình vector điện áp và mô phỏng trên MATLAB, PSIM cho kết quả phù hợp với thực nghiệm, sai số điện áp common mode dưới 5%, chứng tỏ tính khả thi của phương pháp nghiên cứu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của điện áp common mode là do sự thay đổi nhanh điện áp đầu ra (dV/dt) trong biến tần đa bậc, gây ra dòng điện xoáy và điện áp tích tụ trên các điện dung nội tại của động cơ và hệ thống nối đất. Việc sử dụng biến tần đa bậc NPC với chiến lược PWM tối ưu giúp giảm dV/dt và loại bỏ các vector điện áp redundant gây ra điện áp C.M cao.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả giảm điện áp common mode đạt mức thấp hơn nhiều, đồng thời giảm tổn hao đóng cắt và cải thiện chất lượng sóng điện áp đầu ra. Việc lắp thêm tụ điện ngoài và cách ly trung tính biến tần với đất cũng là giải pháp hiệu quả, phù hợp với các tiêu chuẩn an toàn điện và giảm thiểu nhiễu điện từ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ điện áp common mode RMS theo từng phương pháp điều khiển, bảng so sánh tổn hao công suất và tuổi thọ thiết bị, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của các giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng biến tần đa bậc NPC với chiến lược PWM phối hợp SVPWM và CPWM: Giải pháp này nên được triển khai trong các hệ thống truyền động công nghiệp có công suất từ 100 kW trở lên để giảm điện áp common mode và tổn hao điện năng. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng, do các đơn vị kỹ thuật và bảo trì phối hợp thực hiện.

2. Lắp đặt tụ điện ngoài tại đầu ra biến tần: Đề xuất lắp thêm tụ điện có giá trị khoảng 0.047 nF trên mỗi pha nối đất để giảm điện áp common mode xuống mức an toàn, đồng thời giảm dòng điện xoáy. Chủ thể thực hiện là đội ngũ kỹ thuật điện, thời gian 3-6 tháng.

3. Thiết kế hệ thống cách ly trung tính biến tần với đất: Giúp giảm năng lượng tích tụ và tăng tuổi thọ thiết bị. Cần phối hợp với nhà cung cấp biến tần và đơn vị vận hành để thiết kế và thi công, thời gian 6 tháng.

4. Phát triển phần mềm điều khiển tối ưu: Tích hợp thuật toán DPWM với khả năng điều chỉnh offset và tín hiệu kích hoạt để giảm điện áp common mode linh hoạt theo điều kiện vận hành. Chủ thể là nhóm nghiên cứu và phát triển phần mềm, thời gian 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế hệ thống truyền động công nghiệp: Nắm bắt các phương pháp điều khiển biến tần đa bậc và kỹ thuật giảm điện áp common mode để thiết kế hệ thống ổn định, hiệu quả.

2. Nhà quản lý vận hành nhà máy điện và thiết bị mạng: Hiểu rõ tác động của điện áp common mode đến tuổi thọ thiết bị và chi phí bảo trì, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư hợp lý.

3. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ biến tần: Tham khảo các mô hình toán học, chiến lược điều khiển PWM phối hợp để phát triển sản phẩm mới với hiệu suất cao hơn.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành thiết bị mạng và nhà máy điện: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ và biến tần đa bậc, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu.

Câu hỏi thường gặp

1. Điện áp common mode là gì và tại sao cần giảm?
   Điện áp common mode là điện áp giữa điểm trung tính của động cơ và đất, phát sinh do sự thay đổi nhanh điện áp đầu ra biến tần. Nếu không giảm, nó gây ra dòng điện xoáy, bào mòn ổ đỡ và nhiễu điện từ, làm giảm tuổi thọ thiết bị.

2. Biến tần đa bậc NPC có ưu điểm gì trong giảm điện áp C.M?
   Biến tần NPC tạo ra nhiều mức điện áp đầu ra, giảm dV/dt và sóng hài, từ đó giảm điện áp common mode hiệu quả hơn biến tần hai bậc truyền thống, giúp tăng tuổi thọ động cơ và giảm tổn hao.

3. Chiến lược PWM phối hợp SVPWM và CPWM hoạt động như thế nào?
   Chiến lược này kết hợp ưu điểm của SVPWM (điều khiển vector không gian) và CPWM (carrier based PWM) để tạo ra tín hiệu kích hoạt tối ưu, giảm tổn hao đóng cắt và điện áp common mode, nâng cao hiệu suất hệ thống.

4. Lắp tụ điện ngoài có ảnh hưởng gì đến hệ thống?
   Việc lắp tụ điện ngoài giúp giảm điện áp common mode và dòng điện xoáy, nhưng cũng làm tăng trở kháng nguồn và có thể ảnh hưởng đến hệ thống nếu không thiết kế đúng cách. Cần tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

5. Phần mềm điều khiển tối ưu có thể áp dụng cho các loại biến tần khác không?
   Phần mềm điều khiển tối ưu dựa trên DPWM và offset có thể được tùy chỉnh để áp dụng cho nhiều loại biến tần đa bậc khác nhau, giúp giảm điện áp common mode và cải thiện hiệu suất vận hành trong nhiều ứng dụng.

Kết luận

• Luận văn đã chứng minh hiệu quả của biến tần đa bậc NPC kết hợp chiến lược PWM phối hợp trong việc giảm điện áp common mode đến mức cực tiểu, giảm tổn hao và tăng tuổi thọ thiết bị.
• Việc lắp thêm tụ điện ngoài và cách ly trung tính biến tần với đất là các giải pháp bổ sung quan trọng, giúp giảm dòng điện xoáy và nhiễu điện từ.
• Mô hình toán học và mô phỏng trên MATLAB, PSIM phù hợp với thực nghiệm, cung cấp công cụ thiết kế và tối ưu hệ thống truyền động.
• Phương pháp điều khiển DPWM với offset tối ưu mang lại sự linh hoạt và hiệu quả cao trong giảm điện áp common mode.
• Các bước tiếp theo bao gồm phát triển phần mềm điều khiển tích hợp, thử nghiệm trên hệ thống công nghiệp thực tế và mở rộng ứng dụng cho các loại động cơ và biến tần khác.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị sản xuất và vận hành hệ thống truyền động nên áp dụng các giải pháp nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và độ bền của thiết bị, đồng thời tiếp tục nghiên cứu phát triển các phương pháp điều khiển mới.