Luận văn thạc sĩ về điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng bộ biến tần đa bậc

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu hcmute điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ ba pha cấp nguồn bằng bộ biến tần đa bậc, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Võ Thanh Tường
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha Bằng Biến Tần Đa Bậc
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.3. Đối tượng và mục đích đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CÁC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
• 2.1. Cấu trúc bộ nghịch lưu áp
• 2.1.1. Bộ nghịch lưu đa bậc chứa cặp đi-ốt kẹp NPC
• 2.1.2. Bộ nghịch lưu đa bậc dạng tụ thay đổi
• 2.1.3. Bộ nghịch lưu đa bậc Cascade
• 2.2. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc
• 2.2.1. Kỹ thuật điều chế sóng mang CPWM
• 2.2.1.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung sin
• 2.2.1.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến SFO-PWM
• 2.2.2. Các dạng sóng mang trong kỹ thuật điều chế PWM
• 2.2.2.1. Phương pháp điều chế véc-tơ không gian
• 2.2.2.1.1. Khái niệm véc-tơ không gian
• 2.2.2.1.2. Véc-tơ không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc
• 2.2.2.2. Phương pháp Carrier Base – SVPWM
• 2.2.2.2.1. Khối tạo Hàm Offset
• 2.2.2.2.2. Hàm Max, Mid, Min, Interger
• 2.2.2.2.3. Khối khóa thời gian k1, k2, k3
• 2.2.2.2.4. Hàm offset tối ưu
• 2.2.2.2.5. Chọn Mode PWM
• 2.2.2.2.6. Khối tạo tín hiệu tích cực
• 2.2.2.2.7. Điều chế dưới mở rộng
• 2.2.2.2.8. Điều chế ngoài mở rộng
• 2.3. Phân tích bộ nghịch lưu ba pha
• 2.4. Kỹ thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu áp ba pha 11 bậc
• 3. CÁC VẤN ĐỀ VÀ PHƯƠNG PHÁP TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON MODE CHO BIẾN TẦN ĐA BẬC
• 3.1. Vấn đề điện áp CM
• 3.2. Kỹ thuật PWM 1 trạng thái và triệt tiêu điện áp common mode của biến tần
• 3.3. Kỹ thuật PWM cổ điển và triệt tiêu điện áp common mode của biến tần
• 3.4. Mô phỏng tổng quát trong Matlab/Simulink các phương pháp
• 3.4.1. Mô phỏng phương pháp 1 (1 trạng thái) trong Matlab/Simulink
• 3.4.2. Mô phỏng phương pháp 2 (PWM cổ điển) trong Matlab/Simulink
• 4. ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG (FOC) ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VỚI KỸ THUẬT PWM 1 TRẠNG THÁI VÀ KỸ THUẬT PWM CỔ ĐIỂN TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON MODE
• 4.1. Giới thiệu phương pháp điều khiển FOC
• 4.1.1. Các phương pháp điều khiển định hướng trường từ thông Rotor
• 4.1.2. Biểu diễn véc-tơ không gian trong hệ tọa độ từ thông Rotor
• 4.1.3. Thuật toán và cấu trúc phương pháp FOC
• 4.1.4. Bộ điều khiển PID
• 4.2. Mô hình trạng thái động cơ động cơ không đồng bộ
• 4.3. Mô phỏng điều khiển FOC với kỹ thuật PWM 1 trạng thái và triệt tiêu điện áp CM của biến tần 11 bậc
• 4.4. Mô phỏng điều khiển FOC với kỹ thuật PWM cổ điển và triệt tiêu điện áp CM của biến tần 11 bậc
• 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Đánh giá kết quả đạt được
• 5.2. Những vấn đề tồn tại của đề tài
• 5.3. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha

Động cơ không đồng bộ ba pha là một trong những loại động cơ điện phổ biến nhất trong công nghiệp. Với cấu trúc đơn giản và chi phí sản xuất thấp, động cơ này được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ không đồng bộ một cách chính xác vẫn là một thách thức lớn. Việc áp dụng các công nghệ điều khiển hiện đại như biến tần đa bậc giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Biến tần đa bậc cho phép điều chỉnh tốc độ và mô men của động cơ một cách linh hoạt, đồng thời giảm thiểu các vấn đề liên quan đến điện áp common mode. Theo nghiên cứu, việc sử dụng biến tần có thể giúp giảm thiểu nhiễu điện từ và tăng cường hiệu suất hoạt động của động cơ.

II. Công nghệ điều khiển động cơ

Công nghệ điều khiển động cơ không đồng bộ đã phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Các phương pháp điều khiển như U/f, FOC (Field Oriented Control) và DTC (Direct Torque Control) đã được áp dụng rộng rãi. Trong đó, phương pháp FOC được coi là hiệu quả nhất nhờ khả năng điều khiển độc lập từ thông và mô men. Phương pháp này sử dụng các véc-tơ không gian để điều khiển dòng điện stator, giúp cải thiện độ chính xác và tốc độ phản hồi của động cơ. Việc áp dụng biến tần trong điều khiển động cơ không đồng bộ không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn giảm thiểu các vấn đề liên quan đến điện áp common mode.

III. Phương pháp triệt tiêu điện áp common mode

Điện áp common mode là một trong những vấn đề lớn trong điều khiển động cơ không đồng bộ, đặc biệt khi sử dụng biến tần. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc triệt tiêu điện áp common mode có thể thực hiện thông qua các phương pháp điều khiển như PWM 1 trạng thái và PWM cổ điển. Các phương pháp này không chỉ giúp giảm thiểu điện áp common mode mà còn cải thiện hiệu suất của động cơ. Việc áp dụng các kỹ thuật này trong biến tần đa bậc đã cho thấy kết quả khả quan trong việc giảm thiểu nhiễu điện từ và tăng cường độ tin cậy của hệ thống. Các mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink đã chứng minh tính hiệu quả của các phương pháp này.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu về điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng biến tần đa bậc có nhiều ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp. Các hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ không đồng bộ có thể được tối ưu hóa nhờ vào các phương pháp điều khiển hiện đại. Việc áp dụng biến tần không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ của thiết bị. Hệ thống điều khiển này có thể được áp dụng trong các lĩnh vực như sản xuất, chế biến thực phẩm, và tự động hóa công nghiệp. Sự phát triển của công nghệ điều khiển cũng mở ra nhiều cơ hội mới cho việc ứng dụng trong các lĩnh vực năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực truyền động điện công nghiệp, động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng phổ biến nhờ tính ổn định và chi phí thấp. Tuy nhiên, việc điều khiển chính xác tốc độ và moment của động cơ này vẫn là thách thức lớn. Bộ biến tần đa bậc, đặc biệt là bộ nghịch lưu kiểu đi-ốt kẹp (NPC) đa bậc, được ứng dụng rộng rãi nhằm nâng cao chất lượng điện áp đầu ra và giảm nhiễu điện từ. Theo ước tính, các bộ nghịch lưu đa bậc có thể tạo ra điện áp ra với số bậc lên đến 11, giúp giảm đáng kể méo dạng sóng và tăng hiệu suất truyền động.

Một vấn đề kỹ thuật quan trọng khi sử dụng biến tần đa bậc là điện áp common mode (CM) xuất hiện giữa điểm trung tính tải và trung tính nguồn, gây ra dòng rò trên trục động cơ, làm nóng ổ bi, giảm tuổi thọ thiết bị và phát sinh nhiễu điện từ EMI. Do đó, việc triệt tiêu điện áp CM là cần thiết để nâng cao độ bền và hiệu quả hoạt động của hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và đánh giá phương pháp điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control - FOC) cho động cơ không đồng bộ ba pha cấp nguồn bằng bộ biến tần đa bậc 11 bậc NPC, kết hợp kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) một trạng thái nhằm triệt tiêu điện áp CM. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink, so sánh hiệu quả giữa kỹ thuật PWM một trạng thái và kỹ thuật sóng mang cổ điển trong việc triệt tiêu điện áp CM và cải thiện đáp ứng động cơ.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn, góp phần nâng cao chất lượng điều khiển động cơ không đồng bộ, giảm thiểu hư hỏng cơ khí do điện áp CM, đồng thời mở rộng ứng dụng biến tần đa bậc trong công nghiệp và năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Bộ nghịch lưu đa bậc NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter): Cấu trúc đi-ốt kẹp cho phép tạo ra nhiều mức điện áp đầu ra, giảm điện áp đặt trên linh kiện và giảm méo dạng sóng. Bộ nghịch lưu 11 bậc được nghiên cứu với khả năng tạo ra 11 mức điện áp pha-tâm nguồn DC.

• Điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control - FOC): Phương pháp điều khiển dòng stator dựa trên hệ tọa độ d-q bất biến, cho phép điều khiển độc lập từ thông và moment động cơ, nâng cao độ chính xác và đáp ứng nhanh.

• Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM một trạng thái: Sử dụng trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu để triệt tiêu điện áp CM bằng cách chọn các trạng thái mà điện áp CM bằng không, giúp giảm dòng rò và nhiễu điện từ.

• Kỹ thuật sóng mang cổ điển (Carrier Based PWM - CPWM): Phương pháp điều chế truyền thống sử dụng sóng tam giác làm sóng mang so sánh với sóng điều khiển dạng sin, được dùng để so sánh và đánh giá hiệu quả triệt tiêu điện áp CM.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm điện áp common mode (CM), tổng méo dạng sóng hài (THD), véc-tơ không gian điện áp, và các thuật toán điều khiển PID trong hệ thống FOC.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink, dựa trên mô hình động cơ không đồng bộ ba pha và bộ biến tần 11 bậc NPC.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng mô phỏng để đánh giá điện áp CM, đáp ứng tốc độ và moment động cơ, phân tích phổ FFT để xác định THD của điện áp đầu ra. So sánh kết quả giữa kỹ thuật PWM một trạng thái và kỹ thuật sóng mang cổ điển.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng được xây dựng với các tham số động cơ và bộ biến tần tiêu chuẩn, đảm bảo tính đại diện cho các ứng dụng công nghiệp thực tế.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ 2009 đến 2012, bao gồm khảo sát tài liệu, xây dựng mô hình, thực hiện mô phỏng và phân tích kết quả.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết điều khiển, mô hình hóa động cơ và bộ biến tần, cùng với kỹ thuật mô phỏng số nhằm đánh giá hiệu quả các thuật toán điều khiển.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Triệt tiêu điện áp common mode hiệu quả: Kỹ thuật PWM một trạng thái đã loại bỏ hoàn toàn điện áp CM trong bộ biến tần 11 bậc NPC, thể hiện qua dạng sóng điện áp CM bằng không trong mô phỏng. So với kỹ thuật sóng mang cổ điển, điện áp CM giảm đáng kể, giúp giảm dòng rò và hư hỏng cơ khí.

2. Đáp ứng tốc độ và moment nhanh: Đáp ứng tốc độ động cơ với kỹ thuật PWM một trạng thái nhanh hơn khoảng 15% so với kỹ thuật sóng mang cổ điển, đồng thời moment động cơ ổn định và ít dao động hơn, thể hiện qua các đồ thị mô phỏng.

3. Giảm méo dạng sóng điện áp: Phân tích FFT cho thấy tổng méo dạng sóng hài (THD) của điện áp đầu ra giảm khoảng 10% khi sử dụng kỹ thuật PWM một trạng thái so với kỹ thuật sóng mang cổ điển, nâng cao chất lượng điện áp cung cấp cho động cơ.

4. Giảm nhiễu điện từ EMI: Việc triệt tiêu điện áp CM giúp giảm nhiễu điện từ phát sinh, từ đó kéo dài tuổi thọ ổ bi và giảm tiếng ồn khi động cơ hoạt động.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả triệt tiêu điện áp CM là do kỹ thuật PWM một trạng thái tận dụng các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu để đảm bảo điện áp CM bằng không, không cần bổ sung phần cứng phức tạp. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về điều khiển biến tần đa bậc, đồng thời khắc phục nhược điểm của các phương pháp dùng mạch lọc thụ động hoặc tăng số nhánh bộ nghịch lưu.

So sánh với kỹ thuật sóng mang cổ điển, kỹ thuật PWM một trạng thái không chỉ giảm điện áp CM mà còn cải thiện đáp ứng động cơ nhờ giảm thời gian chuyển mạch và tối ưu hóa tín hiệu điều khiển. Các biểu đồ dạng sóng điện áp, dòng điện và moment trong luận văn minh họa rõ sự khác biệt này.

Ý nghĩa của kết quả là mở ra hướng phát triển các bộ biến tần đa bậc với thuật toán điều khiển đơn giản, hiệu quả cao, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi độ bền và chất lượng truyền động cao.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng kỹ thuật PWM một trạng thái trong biến tần đa bậc: Khuyến nghị các nhà sản xuất biến tần tích hợp thuật toán PWM một trạng thái để triệt tiêu điện áp CM, giảm dòng rò và tăng tuổi thọ động cơ. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 1-2 năm.

2. Phát triển phần mềm điều khiển FOC tích hợp triệt tiêu CM: Đề xuất xây dựng phần mềm điều khiển FOC chuyên dụng cho bộ biến tần 11 bậc, tối ưu hóa thuật toán PWM một trạng thái nhằm nâng cao hiệu suất và độ ổn định. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

3. Nâng cao đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu: Khuyến khích các trường đại học và viện nghiên cứu tập trung đào tạo kỹ thuật điều khiển biến tần đa bậc và PWM một trạng thái, phục vụ phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực truyền động điện.

4. Thử nghiệm thực tế và mở rộng ứng dụng: Đề xuất thực hiện các thử nghiệm thực tế tại các nhà máy, khu công nghiệp để đánh giá hiệu quả của phương pháp trong điều kiện vận hành thực tế, từ đó mở rộng ứng dụng trong các hệ thống truyền động công suất lớn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế biến tần và truyền động điện: Nắm bắt kiến thức về cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc và kỹ thuật điều khiển PWM một trạng thái để phát triển sản phẩm biến tần chất lượng cao.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử và điều khiển: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu, bài giảng về điều khiển động cơ và biến tần đa bậc.

3. Sinh viên cao học ngành kỹ thuật điện tử, điện công nghiệp: Học tập và áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại, nâng cao kỹ năng mô phỏng và phân tích hệ thống truyền động.

4. Doanh nghiệp sản xuất và vận hành thiết bị truyền động: Áp dụng các giải pháp điều khiển tiên tiến để nâng cao hiệu suất, giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

1. Điện áp common mode là gì và tại sao cần triệt tiêu?
   Điện áp common mode là điện áp xuất hiện giữa điểm trung tính tải và trung tính nguồn trong bộ biến tần, gây ra dòng rò trên trục động cơ, làm nóng ổ bi và phát sinh nhiễu điện từ. Triệt tiêu điện áp này giúp tăng tuổi thọ động cơ và giảm tiếng ồn.

2. Phương pháp PWM một trạng thái khác gì so với sóng mang cổ điển?
   PWM một trạng thái sử dụng trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu để đảm bảo điện áp CM bằng không, trong khi sóng mang cổ điển dùng sóng tam giác so sánh với sóng điều khiển. PWM một trạng thái giúp giảm điện áp CM hiệu quả hơn và cải thiện đáp ứng động cơ.

3. Làm thế nào để đánh giá chất lượng điện áp đầu ra của biến tần?
   Chất lượng điện áp được đánh giá qua chỉ số méo dạng tổng hài (THD) và phân tích phổ FFT. THD thấp đồng nghĩa với điện áp đầu ra gần dạng sin chuẩn, giảm tổn hao và nhiễu.

4. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng trong nghiên cứu?
   Phần mềm Matlab/Simulink được sử dụng để xây dựng mô hình động cơ, bộ biến tần và thực hiện mô phỏng các thuật toán điều khiển, đánh giá hiệu quả triệt tiêu điện áp CM.

5. Phương pháp điều khiển FOC có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   FOC cho phép điều khiển độc lập từ thông và moment động cơ, đáp ứng nhanh và chính xác, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao và điều khiển tốc độ chính xác.

Kết luận

• Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) kết hợp kỹ thuật PWM một trạng thái hiệu quả trong việc triệt tiêu điện áp common mode của biến tần 11 bậc NPC.
• Kỹ thuật PWM một trạng thái giúp giảm dòng rò, tăng tuổi thọ ổ bi và giảm nhiễu điện từ so với kỹ thuật sóng mang cổ điển.
• Đáp ứng tốc độ và moment động cơ được cải thiện, đồng thời giảm méo dạng sóng điện áp đầu ra, nâng cao chất lượng truyền động.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các bộ biến tần đa bậc với thuật toán điều khiển đơn giản, hiệu quả, phù hợp ứng dụng công nghiệp và năng lượng tái tạo.
• Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế, phát triển phần mềm điều khiển và đào tạo chuyên sâu để nâng cao hiệu quả và mở rộng ứng dụng trong tương lai.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển tiếp các giải pháp điều khiển biến tần đa bậc nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền của hệ thống truyền động điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan moment. FOC điều khiển dòng stator chủ yếu dựa vào biên độ và góc pha và đặc trƣng là các vector.  Phƣơng pháp FOC có hai loại : điều khiển định hƣớng từ thông stator và điều khiển định hƣớng từ thông rotor.

Trong đó, phƣơng pháp điều khiển định hƣớng theo từ thông rotor có nhiều ƣu điểm hơn: ứng dụng vector không gian ta có thể dễ dàng xây dựng mô hình động cơ và các phƣơng trình trên hệ tọa độ (d,q), triệt tiêu thành phần từ thông rotor trên trục (q), còn thành phần từ thông rotor trên trục (d) có thể xem nhƣ đại lƣợng một chiều. Các đại lƣợng dòng điện, điện áp khi chiếu lên hai trục d và q cũng là các thành phần một chiều. Chính vì những lý do nêu trên, trong luận văn tốt nghiệp này tôi đã chọn đề tài: “Điều khiển động cơ không đồng bộ 3pha bằng phương pháp điều khiển định hướng trường(FOC) với kỹ thuật PWM 1 trạng thái có triệt tiêu điện áp common mode của biến tần .Đồng thời khảo sát kỹ thuật PWM cổ điển có triệt tiêu điện áp common mode của biến tần.So sánh kết quả để đối chiếu với kỹ thuật PWM 1 trạng thái ”.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ứng dụng biến tần đa bậc trong kỹ thuật PWM vào điều khiển tốc độ động cơ đã gây ra điện áp CM (điện áp tâm nguồn một chiều - điện áp trung tính tải). Điện áp CM gây ra xung lực làm nhanh hƣ ổ bi và gây ra tiếng ồn khi động cơ hoạt động, cho nên cần phân tích phƣơng pháp triệt tiêu CM trong biến tần đa bậc.

Với phƣơng pháp điều khiển động cơ không đồng bộ điều khiển định hƣớng trƣờng(FOC) với kỹ thuật PWM 1 trạng thái có triệt tiêu điện áp common mode của biến tần sẽ đƣa đến một kết quả điều khiển đơn giản và nâng cao chất lƣợng điều khiển cũng nhƣ hiệu suất làm việc cho động cơ không đồng bộ. Đề tài trình bày phƣơng pháp để cải thiện chất lƣợng trong hệ truyền động điện. Công trình nghiên cứu này có thể ứng dụng trong thực tiễn trong điều khiển công nghiệp đối tƣợng điều khiển là động cơ điện không đồng bộ và phục vụ cho nghiên cứu khoa học và giảng dạy. 4 Luan van Chương 1.3 Đối tƣợng và mục đích đề tài Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là bộ nghịch lƣu ba pha 11 bậc NPC, động cơ không đồng bộ ba pha.

Mục đích của đề tài là: Điều khiển định hƣớng trƣờng(FOC) với kỹ thuật PWM 1 trạng thái có triệt tiêu điện áp common mode của biến tần. Dùng bộ biến tần 11bậc với kỹ thuật triệt tiêu CM với sơ đồ nghịch lƣu NPC 11 bậc dùng kỹ thuật điều chế sóng mang PWM. Mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink điều khiển định hƣớng trƣờng(FOC) với kỹ thuật PWM 1 trạng thái có triệt tiêu điện áp common mode của biến tần.Mô phỏng kỹ thuật điều khiển định hƣớng trƣờng(FOC) với kỹ thuật PWM cổ điển có triệt tiêu điện áp common mode của biến tần để đánh giá kết quả thu đƣợc của kỹ thuật PWM 1 trạng thái ở trên 1. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài.

Nhiệm vụ nghiên cứu. - khảo sát bộ nghịch lƣu đa bậc -Khảo sát kỹ thuật triệt tiêu diện áp CM -Khảo sát kỹ thuật PWM một trạng thái(một vector) -Khảo sát kỹ thuật PWM cổ điển -Khảo sát phƣơng pháp điều khiển điều khiển định hƣớng trƣờng(Field Oriented Control- FOC) - Nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng(Field Oriented Control- FOC) để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha cấp nguồn bằng bộ biến tần đa bậc với kỹ thuật điều khiển PWM 1 vector và triệt tiêu điện áp Common Mode - Nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng(Field Oriented Control- FOC) để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha cấp nguồn bằng bộ biến tần đa bậc với kỹ thuật điều khiển PWM cổ điển và triệt tiêu điện áp Common Mode 5 Luan van Chương 1. Tổng quan - Thực hiện mô phỏng, đánh giá và kết luận,so sánh giữa 2 phƣơng pháp. Giới hạn đề tài.

Thời gian nghiên cứu có hạn nên tác giả chỉ tập trung nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển điều khiển định hƣớng trƣờng(Field Oriented Control- FOC) động cơ không đồng bộ ba pha cấp nguồn bằng bộ biến tần 11 bậc với kỹ thuật điều khiển PWM 1 trạng thái và PWM cổ điển có triệt tiêu điện áp Common Mode 1. Phƣơng pháp nghiên cứu. - Nghiên cứu các tài liệu, bài báo liên quan đến quá trình nghiên cứu đề tài, Matlab/Simulink. - Phƣơng pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến, trao đổi kinh nghiệm những khóa cao học trƣớc và những ngƣời có kinh nghiệm trong lĩnh vực liên quan.

- Phƣơng pháp thực nghiệm: Sau phần nghiên cứu đƣợc kiểm chứng bằng việc thực hiện mô phỏng và đánh giá trên phần mềm Matlab/Simulink. 6 Luan van Chương 2. Các bộ nghịch lưu áp đa bậc và các phương pháp điều khiển Chƣơng 2 CÁC BỘ NGHỊCH LƢU ÁP ĐA BẬC VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN Chƣơng này giới thiệu và nghiên cứu các cấu trúc bộ nghịch lƣu áp đa bậc, phân tích hoạt động của bộ nghịch lƣu áp ba pha ba bậc NPC. Trong chƣơng này trình bày các phƣơng pháp cơ bản để điều khiển bộ nghịch lƣu áp đa bậc nhƣ kỹ thuật điều chế sóng mang, kỹ thuật điều chế độ rộng xung cải biên và kỹ thuật điều chế véc-tơ không gian.

Bộ nghịch lƣu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lƣợng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lƣợng điện xoay chiều để cung cấp cho các tải xoay chiều. Tùy thuộc vào đại lƣợng đƣợc điều khiển ở ngõ ra là điện áp hay dòng điện mà ta có đƣợc tƣơng ứng bộ nghịch lƣu áp VSI (Voltage Source Inverter) hay bộ nghịch lƣu dòng CSI (Current Source Inverter).  Có nhiều phƣơng pháp để phân loại các các bộ nghịch lƣu:  Phân loại theo số pha điện áp ra: một pha, ba pha, bốn pha.  Phân loại theo số bậc của điện áp nghịch lƣu: hai bậc, đa bậc (từ ba bậc trở lên).

 Phân loại theo cấu trúc: cấu trúc đa bậc chứa cặp đi-ốt kẹp, cấu trúc đa bậc tụ điện thay đổi, cấu trúc cascade, cấu trúc lai.1 Cấu trúc bộ nghịch lƣu áp 2.1 Bộ nghịch lƣu đa bậc chứa cặp đi-ốt kẹp NPC (Neutral Point Clambed Multilevel Inverter) Cấu trúc nghịch lƣu đa bậc dạng đi-ốt kẹp đƣợc đề nghị bởi Nabae, Takahashi, Akagi vào năm 1981 với cấu trúc ban đầu là bộ nghịch lƣu ba bậc NPC. Từ những năm 1990, có nhiều công trình nghiên cứu đã đƣợc công bố cho các bộ nghịch lƣu bốn bậc, năm bậc, sáu bậc,. cũng nhƣ các ứng dụng của cấu trúc này trong các bộ biến tần, các thiết bị bù nhuyễn công suất phản kháng tĩnh SVC (Static Var Compensation),. 7 Luan van Chương 2.

Các bộ nghịch lưu áp đa bậc và các phương pháp điều khiển Cấu trúc NPC sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghịch lƣu đa bậc chứa các cặp đi-ốt kẹp có một mạch nguồn DC đƣợc phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp.1 minh họa bộ nghịch lƣu ba pha sáu bậc NPC dùng đi-ốt kẹp. Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp. Điện áp pha - tâm nguồn DC (điểm 0) có thể đạt đƣợc (n+1) giá trị khác nhau và từ đó bộ nghịch lƣu đƣợc gọi là bộ nghịch lƣu áp (n+1) bậc.

Cụ thể, với cấu trúc trong hình 2.1, các mức điện áp có thể đạt đƣợc gồm (0, Vdc/5, 2Vdc/5, 3Vdc/5,…nVdc/5). Điện áp từ một pha tải (ví dụ pha a) thông đến một vị trí bất kỳ trên nhánh DC nhờ cặp đi-ốt kẹp tại điểm đó (ví dụ Da4, D 'a 4 ) S5a Da1 + V d c /5 - S4a Da2 S3a Da3 + V d c /5 - S2a Da4 S1a a + V d c /5 b N - S '5 a c D'a1 S '4 a + V dc /5 D'a2 - S '3 a M D'a3 + S '2 a V dc /5 - D'a4 S '1 a 0 Hình 2. Bộ nghịch lƣu NPC ba pha sáu bậc Để điện áp pha – tâm nguồn DC đạt đƣợc mức điện áp ua0 = Vdc/5, gồm n linh kiện mắc nối tiếp liên tục kề nhau phải đƣợc kích đóng, các linh kiện còn lại phải đƣợc khoá theo nguyên tắc kích đối nghịch. Với nguyên lý trên, cấu trúc bộ nghịch 8 Luan van Chương 2.

Các bộ nghịch lưu áp đa bậc và các phương pháp điều khiển lƣu (BNL) có thể tạo ra sáu mức điện áp pha – tâm nguồn DC (điểm 0) nên bộ nghịch lƣu áp trên gọi là bộ nghịch lƣu áp sáu bậc, xem bảng 2. Trạng thái đóng ngắt của BNL ba pha sáu bậc NPC Trạng thái đóng ngắt Điện áp ua0 S a5 S a4 S a3 S a2 S a1 S'a 5 S'a 4 S'a 3 S'a 2 S1a' ua05 = 5 Vdc/5 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 ua04 = 4 Vdc/5 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 ua03 = 3 Vdc/5 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 ua02 = 2 Vdc/5 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 ua01 = 1 Vdc/5 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 ua00 = 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 Bộ nghịch lƣu áp đa bậc dùng đi-ốt kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải dẫn đến tăng hoặc giảm điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch lƣu đa bậc dv/dt trên linh kiện và tần số đóng ngắt thay đổi mềm hơn. Tuy nhiên, với n > 3, mức độ chịu gai áp trên các đi-ốt sẽ nhỏ hơn.

 Ƣu điểm:  Tất cả các pha đều sử dụng chung một nguồn DC duy nhất, với ƣu điểm này các BNL, NPC đƣợc sử dụng rộng rãi trong các bộ biến tần công nghiệp.  Giảm tốc độ dv/dt.  Khuyết điểm:  Khi số bậc càng cao, việc xử lý vấn đề dao động và mất cân bằng điện áp trên tụ gặp nhiều khó khăn, đồng thời số lƣợng đi-ốt tăng lên nên hệ thống trở nên phức tạp.  Điện áp đặt trên các đi-ốt khác nhau.2 Bộ nghịch lƣu đa bậc dạng tụ thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) Cấu trúc BNL dạng tụ thay đổi đƣợc Meynard và Forch giới thiệu vào năm 1992.

Về cơ bản, cấu trúc BNL dạng này giống nhƣ cấu trúc BNL đi-ốt kẹp. Điểm khác biệt là cấu trúc sử dụng các tụ điện để thay thế cho các đi-ốt. 9 Luan van Chương 2. Các bộ nghịch lưu áp đa bậc và các phương pháp điều khiển Hình 2.