Luận văn thạc sĩ về điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ sử dụng biến tần đa bậc

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần đa bậc với common mode cực tiểu, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp

• 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 Mạch và Nhà Máy Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Bằng Biến Tần Đa Bậc
• Loại tài liệu: luận văn thực số
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 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 ĐỘNG CƠ KỸ THUẬT BIẾN TẦN ĐA BẬC
• 2.1. Giới thiệu
• 2.2. Các nguyên tắc điều khiển tốc độ động cơ điện trong hệ truyền động động cơ kỹ thuật biến tần đa bậc
• 2.3. Phương pháp điều chế dùng cho biến tần đa bậc
• 2.4. Cấu trúc biến tần đa bậc
• 2.4.1. Cấu trúc nghịch lưu dạng Cascade
• 2.4.2. Cấu trúc nghịch lưu chứa cặp diode kép
• 2.4.3. Cấu trúc phối hợp
• 2.4.4. Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi
• 2.5. Nhận xét về các dạng só điện nghịch lưu đa bậc
• 2.6. Phương pháp điều chế vector không gian cho biến tần đa bậc
• 2.7. Giản đồ vector điện áp bộ biến tần ba bậc
• 2.8. Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu năm bậc
• 2.9. Phương pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (Carrier based PWM)
• 2.10. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật điều chế PWM
• 3. CHƯƠNG 3: VẤN ĐỀ COMMON MODE TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG 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 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.M
• 4.6. Thực nghiệm
• 4.7. 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 trở 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. Mô hình toán học của động cơ
• 6.5.2. Lựa chọn động cơ cho hệ truyền động
• 6.5.3. Mô hình toán học của động cơ điện Kỹ thuật biến tần
• 6.5.4. Sơ đồ khối hệ điều khiển theo từ thông
• 6.5.5. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển vector trong động cơ điện Kỹ thuật biến tần
• 6.5.6. Chuyển đổi qua lại giữa hệ trục (a,b,c) ↔ (α-β)
• 6.5.7. 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
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng biến tần đa bậc

Nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng biến tần đa bậc đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại. Biến tần đa bậc không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu các vấn đề liên quan đến điện áp common mode. Việc áp dụng công nghệ này mang lại nhiều lợi ích cho các hệ thống điều khiển động cơ, từ việc tiết kiệm năng lượng đến việc nâng cao độ tin cậy của thiết bị.

1.1. Động cơ không đồng bộ và vai trò của biến tần đa bậc

Động cơ không đồng bộ là loại động cơ phổ biến trong công nghiệp. Biến tần đa bậc giúp điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ một cách hiệu quả. Công nghệ này cho phép điều chỉnh điện áp và tần số, từ đó tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng biến tần đa bậc trong công nghiệp

Việc sử dụng biến tần đa bậc mang lại nhiều lợi ích như giảm thiểu tổn thất năng lượng, cải thiện độ ổn định của hệ thống và giảm thiểu tiếng ồn. Ngoài ra, nó còn giúp kéo dài tuổi thọ của động cơ và giảm chi phí bảo trì.

II. Vấn đề và thách thức trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

Mặc dù công nghệ biến tần đa bậc mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số vấn đề và thách thức cần được giải quyết. Một trong những vấn đề chính là hiện tượng điện áp common mode, có thể gây ra hư hỏng cho động cơ và các thiết bị liên quan. Việc hiểu rõ các thách thức này là rất quan trọng để phát triển các giải pháp hiệu quả.

2.1. Hiện tượng điện áp common mode và tác động của nó

Điện áp common mode là một trong những vấn đề nghiêm trọng trong hệ thống điều khiển động cơ. Nó có thể gây ra các hư hỏng cho động cơ và làm giảm hiệu suất hoạt động. Việc giảm thiểu điện áp common mode là cần thiết để bảo vệ thiết bị.

2.2. Các thách thức trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ

Tối ưu hóa hiệu suất động cơ không đồng bộ bằng biến tần đa bậc gặp nhiều thách thức như điều chỉnh tần số và điện áp. Các yếu tố như tải trọng, nhiệt độ và độ ẩm cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ.

III. Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng biến tần đa bậc

Có nhiều phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng biến tần đa bậc. Các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu các vấn đề liên quan đến điện áp common mode. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu quả tối ưu.

3.1. Phương pháp điều khiển vector không gian

Phương pháp điều khiển vector không gian cho phép điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn của động cơ một cách chính xác. Phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

3.2. Phương pháp điều khiển PWM

Điều khiển PWM (Pulse Width Modulation) là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong điều khiển động cơ. Phương pháp này giúp điều chỉnh điện áp và tần số một cách linh hoạt, từ đó cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ.

IV. Ứng dụng thực tiễn của biến tần đa bậc trong công nghiệp

Biến tần đa bậc đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Từ sản xuất đến chế biến, công nghệ này giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí. Việc áp dụng biến tần đa bậc không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

4.1. Ứng dụng trong ngành sản xuất

Trong ngành sản xuất, biến tần đa bậc giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu thời gian dừng máy và tiết kiệm năng lượng. Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn giảm chi phí sản xuất.

4.2. Ứng dụng trong ngành chế biến thực phẩm

Biến tần đa bậc cũng được sử dụng trong ngành chế biến thực phẩm để điều khiển tốc độ của các máy móc. Việc này giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm và giảm thiểu lãng phí nguyên liệu.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu điều khiển động cơ không đồng bộ

Nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng biến tần đa bậc đang mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp. Với sự phát triển của công nghệ, các giải pháp điều khiển ngày càng trở nên hiệu quả và bền vững hơn. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ đáng kể.

5.1. Tương lai của công nghệ biến tần đa bậc

Công nghệ biến tần đa bậc sẽ tiếp tục phát triển và cải tiến, mang lại nhiều giải pháp tối ưu hơn cho việc điều khiển động cơ. Sự phát triển này sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tác động đến môi trường.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển động cơ không đồng bộ sẽ tiếp tục tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới và cải tiến các công nghệ hiện có. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điều khiển.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong các hệ thống công nghiệp hiện đại, động cơ không đồng bộ ba pha chiếm khoảng 70% đến 80% tổng lượng điện năng tiêu thụ tại các nhà máy nhờ cấu tạo bền bỉ và chi phí bảo dưỡng thấp. Tuy nhiên, việc áp dụng biến tần hai bậc truyền thống phát sinh vấn đề nghiêm trọng về điện áp chế độ chung (Common Mode Voltage - CMV) với tốc độ biến thiên điện áp ($dv/dt$) rất lớn, gây ra dòng điện rò qua ổ đỡ động cơ. Theo thống kê thực tế trong ngành truyền động điện, khoảng 35% đến 40% các sự cố hư hỏng động cơ dùng biến tần xuất phát từ hiện tượng ăn mòn điện hóa bạc đạn do dòng điện CMV gây ra.

Nghiên cứu này tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: tối ưu hóa kỹ thuật điều chế cho biến tần đa bậc nhằm triệt giảm điện áp common mode xuống mức cực tiểu mà không làm suy giảm chất lượng điện áp ngõ ra hay gia tăng méo dạng sóng hài dòng điện. Mục tiêu cụ thể là xây dựng cấu trúc điều chế phối hợp giữa điều chế vector không gian (SVPWM) và điều chế dựa trên sóng mang (CPWM), từ đó tích hợp vào hệ thống điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC) cho động cơ không đồng bộ.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên mô hình biến tần ba bậc diode kẹp (Neutral Point Clamped - NPC) cấp nguồn cho động cơ 37 kW và 800 kW, vận hành ở điện áp DC-bus 540 V và 6 kV tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc giảm biên độ CMV từ mức 50% $V_{dc}$ xuống còn 16,7% $V_{dc}$ ($V_{dc}/6$), kéo dài tuổi thọ ổ bi động cơ thêm khoảng 2,5 lần và cắt giảm hơn 30% tổn hao đóng cắt của các khóa bán dẫn công suất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng ba hệ thống lý thuyết then chốt trong kỹ thuật điện tử công suất và truyền động điện:

1. Lý thuyết biến tần đa bậc NPC (Neutral Point Clamped): Khung cấu trúc nghịch lưu 3 bậc sử dụng chuỗi tụ điện phân chia điện áp một chiều $V_{dc}$ thành các mức thế $0, \pm V_{dc}/2$. Cấu trúc này tạo ra 27 trạng thái đóng cắt tương ứng với 19 vị trí vector điện áp không gian, giúp chia nhỏ độ biến thiên điện thế $dv/dt$ trên từng linh kiện bán dẫn xuống 2 lần so với biến tần hai bậc.
2. Lý thuyết điện áp Common Mode và cơ chế phóng điện ổ đỡ: Điện áp common mode được xác định theo biểu thức toán học:

$$V_{cm} = \frac{V_a + V_b + V_c}{3} = V_{sn} + V_{ng}$$

Trong đó, năng lượng tích phóng trên điện dung ký sinh của rotor được mô tả qua phương trình:

$$E = \frac{1}{2} (C_{sr} + C_{rg} + C_{bg}) V_{rg}^2$$

Năng lượng này tỷ lệ thuận với bình phương điện áp phóng điện và quyết định trực tiếp thể tích kim loại bị ăn mòn trên rãnh bi của ổ đỡ. 3. Lý thuyết điều khiển vector định hướng từ thông rotor (RFOC): Sử dụng các phép biến đổi tọa độ Clarke ($abc \to \alpha\beta$) và Park ($\alpha\beta \to dq$) để phân ly hoàn toàn dòng stator thành hai thành phần độc lập: thành phần tạo từ thông $i_{sd}$ và thành phần tạo mô-men $i_{sq}$.

Các khái niệm trọng tâm bao gồm: vector dư thừa (Redundant State Selection - RSS), hàm offset điện áp ($V_{r0,PWM}$), vùng quá điều chế, và trở kháng vòng lặp common mode.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu: Nghiên cứu thu thập dữ liệu từ 24 kịch bản vận hành mô phỏng trên các dải tần số từ 3 Hz đến 60 Hz và dữ liệu thực nghiệm kiểm chứng từ hệ truyền động 43 kVA cấp điện cho động cơ 15 HP (8 cực, 460 V) và hệ biến tần 540 V cấp điện cho động cơ 37 kW (6 cực, 1000 vòng/phút).
• Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn mẫu có chủ đích tập trung vào các chế độ tới hạn: vùng tần số thấp (3 Hz - 10 Hz) nơi xuất hiện nhiều trạng thái vector không làm gia tăng CMV, và vùng đầy tải với tần số đóng cắt sóng mang 5 kHz.
• Phương pháp phân tích: Kết hợp giải tích toán học ma trận nghịch đảo để tính toán thời gian đóng cắt ($T_1, T_2, T_3$), giải thuật tính toán hàm offset trong ngôn ngữ C++, và phương pháp đồng mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng PSIM thông qua khối liên kết thư viện động (Dynamic Link Library - DLL). Lý do lựa chọn khối DLL C++ trong PSIM là nhằm vượt qua giới hạn số nút mạch, tăng tốc độ xử lý thuật toán thời gian thực và ngăn chặn hiện tượng mất hội tụ số khi tính toán 125 trạng thái đóng cắt phức tạp.
• Tiến trình nghiên cứu: Thực hiện trong 12 tháng qua 4 giai đoạn: giải tích toán học và xây dựng giải thuật offset, lập trình mã nguồn C++, kiểm chứng mô phỏng trên PSIM, và phân tích đối sánh thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã đạt được các phát hiện kỹ thuật mang tính đột phá thông qua dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm cụ thể:

• Giảm 66,7% biên độ đỉnh điện áp Common Mode: Bằng cách loại bỏ 8 vector điện áp gây $V_{sn}$ lớn ($> V_{dc}/6$) và chỉ giữ lại 19 vector điện áp tối ưu thông qua kỹ thuật chọn trạng thái dư thừa, biên độ đỉnh $V_{sn}$ giảm từ 270 V (ở biến tần 2 bậc, tương đương 50% $V_{dc}$) xuống còn đúng 90 V (ở biến tần 3 bậc NPC, tương đương 16,7% $V_{dc}$) trên nguồn DC 540 V.
• Triệt giảm 94,75% điện áp CMV qua giải pháp lọc thụ động: Khi kết hợp cách ly điểm trung tính biến áp nguồn với việc lắp thêm tụ lọc ngõ ra 0,047 nF mỗi pha kèm cuộn kháng common mode 314 $\mu$H, điện áp CMV hiệu dụng đo được ở tần số cơ bản 3 Hz giảm mạnh từ 326 V xuống còn 17,1 V.
• Giảm 33,3% số lần chuyển mạch bằng phương pháp DPWM: Việc áp dụng hàm offset gián đoạn ($V_{r0,DPWM}$) giúp cố định một nhánh van bán dẫn không đóng cắt trong mỗi chu kỳ $60^\circ$, giảm tổn thất công suất chuyển mạch ($P_{sw}$) khoảng một phần ba trong khi vẫn duy trì độ méo dạng sóng hài dòng điện (THD) ở mức dưới 4,5%.
• Nâng cao hiệu suất tính toán với khối C++ DLL: Tốc độ mô phỏng hệ thống điều khiển vector kết hợp biến tần 3 bậc trên PSIM tăng hơn 60% khi chuyển đổi các khối logic giải thuật sang file DLL, loại bỏ hoàn toàn lỗi tràn bộ nhớ khi xử lý 125 trạng thái của hệ 5 bậc.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp phương pháp phối hợp SVPWM và CPWM đạt hiệu quả tối ưu là việc kiểm soát chính xác hàm offset $V_{r0,PWM}$ dựa trên quan hệ giữa các giá trị cực trị Max, Mid, Min của hệ thống điện áp 3 pha:

$$V_{rx} = V_{rx12} + V_{r0,PWM}$$

Trong các phương pháp SPWM truyền thống nhằm triệt tiêu hoàn toàn CMV (chỉ dùng 7 vector), sóng hài điện áp ngõ ra tăng đột biến lên hơn 25%, làm méo dạng dòng điện nghiêm trọng. Ngược lại, chiến lược lựa chọn 19 vector trong nghiên cứu này đã tận dụng triệt để các vector redundant để giữ nguyên quỹ đạo tròn của vector từ thông stator.

Dữ liệu kết quả được thể hiện trực quan qua các đồ thị phân tích phổ sóng hài FFT từ 0 đến 50 kHz, dạng sóng quá độ của dòng rò $I_{cm}$ trên trục động cơ, và bảng so sánh đa thông số giữa ba cấu hình: biến tần 2 bậc truyền thống, biến tần NPC chuẩn, và biến tần NPC áp dụng điều chế DPWM tối ưu hóa CMV. Sự suy giảm của độ dốc $dv/dt$ ngõ ra từ mức 540 V/$\mu$s xuống 180 V/$\mu$s giải thích trực tiếp tại sao hiện tượng phóng điện cục bộ trong lớp mỡ bôi trơn ổ đỡ bị ức chế hoàn toàn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng giải thuật DPWM offset tối ưu vào vi điều khiển chuyên dụng (DSP/FPGA): Các kỹ sư phát triển phần mềm nhúng tại các doanh nghiệp chế tạo thiết bị điện cần nạp bảng tra cứu trạng thái dư thừa (RSS) và thuật toán sinh hàm offset vào chip xử lý tín hiệu số DSP TMS320F2812 hoặc FPGA, đặt mục tiêu khống chế điện áp CMV dưới mức $V_{dc}/6$ trong thời gian hoàn thiện 6 tháng.
2. Bổ sung modul lọc thụ động tích hợp ở đầu ra biến tần: Bộ phận kỹ thuật cơ điện tại các nhà máy công nghiệp nên lắp đặt bổ sung bộ lọc gồm cuộn kháng common mode giá trị 300 $\mu$H đến 350 $\mu$H kết hợp tụ điện dẫn dòng cao tần 0,05 $\mu$F nối đất, nhằm triệt giảm hơn 90% biên độ dòng điện rò tần số cao trong chu kỳ bảo trì 3 tháng tới.
3. Chuẩn hóa quy trình cách ly điểm trung tính biến áp nguồn cấp: Đơn vị tư vấn và thiết kế hệ thống phân phối điện cần áp dụng cấu hình biến áp cách ly không nối đất trực tiếp điểm trung tính cho các cụm truyền động công suất lớn (từ 75 kW đến 800 kW), hướng tới mục tiêu giảm 60% năng lượng tích lũy tĩnh điện trên rotor trong vòng 9 tháng triển khai.
4. Thiết lập quy chuẩn quan trắc điện áp trục và dòng điện ổ đỡ định kỳ: Đội ngũ bảo dưỡng tại các nhà máy cán thép, xi măng và hóa chất cần sử dụng thiết bị đo dao động ký băng thông rộng (tối thiểu 50 MHz) để giám sát định kỳ $dv/dt$ trên vỏ máy và ổ đỡ, đảm bảo phát hiện sớm nguy cơ đánh thủng cách điện trong lộ trình theo dõi 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) thiết bị điện tử công suất: Tiếp cận cấu trúc chi tiết của biến tần đa bậc NPC, Cascade, Flying Capacitor và phương pháp lập trình mã nguồn C++ DLL tối ưu hóa không gian vector phục vụ thiết kế sản phẩm biến tần thương mại.
• Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống tự động hóa nhà máy: Nắm vững cơ chế phát sinh dòng điện trục, các thông số ảnh hưởng đến độ bào mòn bạc đạn và giải pháp lắp đặt mạch lọc để xử lý triệt để sự cố nhảy rơ-le bảo vệ dòng rò.
• Giảng viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện - Tự động hóa: Sử dụng tài liệu làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình toán học động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ quay $dq$, kỹ thuật điều khiển vector FOC và thuật toán biến đổi giữa SVPWM và CBPWM.
• Sinh viên đại học chuyên ngành Thiết bị Điện và Truyền động điện: Học tập phương pháp mô phỏng chuyên nghiệp trên phần mềm PSIM kết hợp MATLAB/C++, nâng cao kỹ năng xây dựng mô hình điều khiển động cơ thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Điện áp Common Mode (CMV) trong hệ thống biến tần gây ra những tác hại kỹ thuật gì? Điện áp CMV tạo ra dòng điện tích phóng tần số cao qua điện dung ký sinh giữa cuộn dây stator, rotor và vỏ máy. Dòng rò này chạy qua màng dầu bôi trơn của ổ bi gây hiện tượng phóng tia lửa điện vi mô, tạo vết khía rãnh ăn mòn bạc đạn, phát sinh nhiễu điện từ (EMI) và làm tác động sai các rơ-le bảo vệ dòng rò nhanh.

2. Tại sao biến tần ba bậc NPC lại giảm được CMV hiệu quả hơn biến tần hai bậc? Biến tần 3 bậc NPC sử dụng chuỗi tụ phân chia nguồn DC thành các mức điện áp trung gian, giúp giảm bước nhảy điện áp ngõ ra mỗi lần chuyển mạch từ $V_{dc}$ xuống còn $V_{dc}/2$. Kết hợp cùng chiến lược chọn vector trạng thái, biến tần NPC có thể khống chế điện áp $V_{sn}$ dao động tối đa trong khoảng $\pm V_{dc}/6$, thay vì $\pm V_{dc}/2$ như biến tần 2 bậc.

3. Sự phối hợp giữa SVPWM và CPWM trong nghiên cứu mang lại lợi ích gì? Sự kết hợp này sử dụng nguyên lý sinh hàm offset $V_{r0,PWM}$ để đưa tín hiệu điều chế vector không gian phức tạp về dạng so sánh sóng mang tam giác đơn giản. Giải pháp giúp giảm thiểu khối lượng tính toán của bộ xử lý, dễ dàng chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ sóng liên tục (giảm gợn dòng) và gián đoạn DPWM (giảm tổn hao chuyển mạch).

4. Việc lắp thêm tụ điện và cuộn kháng triệt giảm CMV có gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ thống không? Việc lắp thêm tụ lọc và cuộn cảm sẽ làm gia tăng nhẹ trở kháng nguồn và có thể tạo ra các xung dòng nạp quá độ nếu không được tính toán chuẩn xác. Tuy nhiên, bằng cách ghép nối tiếp điện trở hạn chế dòng đỉnh cao tần và chọn dung lượng tụ nhỏ (khoảng 0,047 nF), hệ thống vẫn đảm bảo an toàn tuyệt đối và thỏa mãn tiêu chuẩn công nghiệp.

5. Tại sao cần sử dụng khối liên kết động C++ DLL khi mô phỏng trên phần mềm PSIM? Hệ thống điều khiển vector kết hợp biến tần đa bậc chứa khối lượng thuật toán giải tích và nhánh rẽ logic cực lớn (xác định 125 trạng thái vector và hàm Max/Mid/Min). Việc lập trình bằng mã nguồn C++ rồi biên dịch thành file DLL giúp PSIM xử lý trực tiếp mã máy, tăng tốc độ tính toán gấp nhiều lần và tránh lỗi tràn bộ nhớ linh kiện.

Kết luận

• Luận văn đã giải quyết toàn diện vấn đề điện áp common mode trong hệ truyền động động cơ không đồng bộ bằng việc đề xuất giải pháp điều chế phối hợp tối ưu giữa SVPWM và CPWM trên nền biến tần đa bậc NPC.
• Chứng minh bằng toán học và thực nghiệm khả năng cắt giảm 66,7% biên độ đỉnh điện áp CMV ($V_{sn}$ từ 270 V xuống 90 V) mà không làm suy giảm chất lượng dạng sóng điện áp ngõ ra.
• Xây dựng thành công mô hình mô phỏng đồng bộ giữa PSIM và thuật toán Visual C++ DLL cho hệ thống điều khiển vector định hướng từ thông rotor (RFOC).
• Đề xuất giải pháp lọc phần cứng thụ động kết hợp biến áp cách ly giúp triệt giảm đến 94,75% điện áp common mode tại dải tần số thấp.
• Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc thực thi phần cứng hoàn chỉnh trên chip DSP 32-bit trong vòng 6 tháng tới và tích hợp thuật toán nhận dạng trực tuyến điện trở rotor trong 12 tháng tiếp theo. Bạn hãy nghiên cứu và ứng dụng ngay giải pháp điều chế tối ưu này để nâng cao độ tin cậy và hiệu suất cho hệ truyền động công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ DÙNG BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI COMMON MODE CỰC TIỂU Chuyeân ngaønh: Thieát Bò Maïng vaø Nhaø Maùy Ñieän Maõ soá ngaønh: 60 52 50 Hoï vaø Teân Hoïc Vieân: NGUYỄN PHƯƠNG QUANG Ngöôøi Höôùng Daãn: TS NGUYỄN VĂN NHỜ Thaønh Phoá Hoà Chí Minh, Thaùng 08 Naêm 2005 MUÏC LUÏC - Nhaän xeùt cuûa giaùo vieân - Tôø nhieäm vuï luaän vaên thaïc só. - Lôøi caûm ôn. - Toùm taét luaän vaên thaïc só - Muïc luïc Chöông 1: MÔÛ ÑAÀU 1 1. Vò trí bieán taàn trong coâng nghieäp 1.

Bieán taàn ña baäc 2 1. Vaán ñeà ñieän aùp common mode (C. Nhöõng vaán ñeà seõ khai trieån trong luaän vaên 5 Chöông 2: GIÔÙI THIEÄU HEÄ TRUYEÀN ÑOÄNG ÑOÄNG CÔ KÑB - 6 BIEÁN TAÀN ÑA BAÄC 2. Caùc nguyeân taéc ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô ñieän trong heä truyeàn 7 ñoäng ñoäng cô KÑB - bieán taàn ña baäc 2.

Phöông phaùp ñieàu cheá duøng cho bieán taàn ña baäc 8 2. Caáu truùc bieán taàn ña baäc 9 2. Caáu truùc nghòch löu daïng Cascade 10 2. Caáu truùc nghòch löu chöùa caëp diode keïp 12 2.

Caáu truùc phoái hôïp 13 2. Caáu truùc duøng tuï ñieän thay ñoåi 13 2. Nhaän xeùt veà caùc daïng sô ñoà nghòch löu ña baäc 14 2. Phöông phaùp ñieàu cheá vector khoâng gian cho bieán taàn ña baäc 2.

Giaûn ñoà vector ñieän aùp boä bieán taàn ba baäc 14 2. Giaûn ñoà vector ñieän aùp boä nghòch löu naêm baäc 19 2. Phöông Phaùp Ñieàu Cheá Ñoä Roäng Xung Duøng Soùng Mang (Carrier based PWM) 2. Caùc daïng soùng mang duøng trong kyõ thuaät ñieàu cheá 21 PWM Chöông 3: VAÁN ÑEÀ COMMON MODE TRONG HEÄ TRUYEÀN 24 ÑOÄNG DUØNG BIEÁN TAÀN 3.

Maïch common mode trong heä truyeàn ñoäng bieán taàn ñoäng cô 25 3. Caùc thoâng soá ñieän aûnh höôûng ñeán ñoä baøo moøn oå ñôõ 26 3. Taùc ñoäng cuûa vieäc noái ñaát nguoàn cung caáp leân ñieän aùp common 28 mode 3. Trieät giaûm common mode thoâng qua vieäc laép theâm tuï ñieän ngoõ 28 vaøo boä bieán taàn 3.

Phöông thöùc thöïc hieän 28 3. Kieåm chöùng qua thöïc nghieäm 29 3. Nhöõng nhaän ñònh veà trieät giaûm C.M thoâng qua vieäc laép theâm 30 tuï ñieän ngoõ vaøo boä bieán taàn Chöông 4: BIEÄN PHAÙP XÖÛ LYÙ COMMMON MODE CÖÏC TIEÅU 31 TRONG BIEÁN TAÀN ÑA BAÄC 4. Giôùi thieäu caùc phöông aùn 4.

Trieät boû hoaøn toaøn ñieän aùp common mode 31 4. Trieät boû moät phaàn ñieän aùp common mode 35 4. Heä thoáng chænh löu caàu – nghòch löu NPC 35 4. Chieán löôïc giaûm ñieän aùp C.

Thöïc Nghieäm 38 4. Keát luaän 39 Chöông 5: XAÂY DÖÏNG PHÖÔNG THÖÙC TRIEÄT GIAÛM COMMON 40 MODE TOÁI ÖU, MOÂ PHOÛNG HEÄ TRUYEÀN ÑOÄNG, ÑAÙNH GIAÙ KEÁT QUAÛ MOÂ PHOÛNG 5. Giôùi thieäu phöông aùn 5. Kyõ thuaät trieät giaûm common mode phoái hôïp giöõa SVPWM vaø 41 CPWM 5.

Khoái Taïo Tín Hieäu kích hoaït (Active Signal Generator) 5. Khoái Taïo Haøm Offset (Offset Generator) 42 5. Moâ phoûng heä truyeàn ñoäng vôùi common mode cöïc tieåu 44 5. Löïa choïn maïch ñoäng löïc 44 5.

Moâ phoûng heä truyeàn ñoäng 5. Khoái xaùc ñònh caùc cöïc trò 46 5. Khoái Giôùi Haïn giaù trò offset 46 5. Khoái Haøm Vr 0,ref 47 5.

Khoái ñònh tæ leä thôøi gian ñoùng caét K1, K2, K3 47 5. Khoái Tính Toaùn Taïo Voffset 48 5. Khoái Tính Common mode cöïc tieåu 49 5. Ñaùnh giaù keát quaû moâ phoûng - keát luaän 50 51 Chöông 6: HEÄ TRUYEÀN ÑOÄNG BIEÁN TAÀN – ÑOÄNG CÔ ÑIEÀU KHIEÅN DÖÏA THEO TÖØ THOÂNG ROTOR 6.

Giôùi thieäu phöông thöùc ñieàu khieån döïa theo töø thoâng 6. So saùnh vôùi caùc phöông thöùc phöông thöùc ñieàu khieån toác ñoä 52 ñoäng cô thoâng duïng 6. Thaønh laäp moâ hình caùc khoái chöùùc naêng trong heä ñieàu khieån theo töø thoâng 6. Nguyeân lyù chung 54 6.

Pheùp chuyeån ñoåi toïa ñoä 55 6. Moâ hình toaùn hoïc cuûa ñoäng cô 6. Löïa choïn ñoäng cô cho heä truyeàn ñoäng 59 6. Moâ hình toaùn hoïc cuûa ñoäng cô ñieän KÑB xoay chieàu 3 60 pha 6.

Sô ñoà khoái heä ñieàu khieån theo töø thoâng 6. Sô ñoà khoái phöông phaùp ñieàu khieån vector trong ñoäng 61 cô ñieän KÑB xoay chieàu 3 pha 6. Chuyeån ñoåi qua laïi giöõa heä truïc (a,b,c)  (α-β) 62 6. Chuyeån ñoåi qua laïi giöõa heä truïc (d,q)  (α-β) 63 6.

Öôùc löôïng töø thoâng rotor 64 6. Maïch phaân ly 64 6. Xaùc ñònh haøm töø thoâng yeâu caàu 66 6. Tính toaùn thoâng soá cho caùc khoái 6.

Khoái öôùc tính töø thoâng rotor 68 6. Khoái chuyeån ñoåi heä truïc toaï ñoä 68 6. Khoái xaùc ñònh giaù trò töø thoâng vaø toác ñoä yeâu caàu 69 6. Khoái phaân ly caùc thaønh phaàn ñieàu khieån 69 6.

Moâ phoûng heä truyeàn ñoäng 6. Thieát laäp sô ñoà maïch trong PSIM 6. Khoái öôùc löôïng töø thoâng rotor 70 6. Khoái phaân ly hai thaønh phaàn ñieàu khieån 71 6.

Caùc khoái chuyeån ñoåi 71 6. Maïch thay ñoåi cheá ñoä taûi 72 6. Moâ phoûng heä truyeàn ñoäng 72 6. Ñaùnh giaù keát quaû moâ phoûng - keát luaän 75 - Keát luaän vaø ñeà nghò + Summary 76 - Taøi lieäu tham khaûo 78 - Phuï luïc 79 - Thuaät ngöõ kyõ thuaät - Toùm taét lyù lòch trích ngang Chöông 1: MÔÛ ÑAÀU G.S Nguyeãn Vaên Nhôø CHÖÔNG 1: MÔÛ ÑAÀU 1.VÒ TRÍ BIEÁN TAÀN TRONG COÂNG NGHIEÄP Vôùi söï phaùt trieån nhö vuõ baõo veà chuûng loaïi cuõng nhö soá löôïng caùc boä bieán taàn, ngaøy caøng nhieàu thieát bò ñieän – ñieän töû söû duïng caùc boä bieán taàn, trong ñoù moät boä phaän ñaùng keå söû duïng bieán taàn phaûi keå ñeán chính laø boä bieán taàn ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô ñieän.

Trong thöïc teá coù raát nhieàu hoaït ñoäng trong coâng nghieäp coù lieân quan ñeán toác ñoä ñoäng cô ñieän. Ñoâi luùc coù theå xem söï oån ñònh cuûa toác ñoä ñoäng cô mang yeáu toá soáng coøn cuûa chaát löôïng saûn phaåm, söï oån ñònh cuûa heä thoáng … ví duï: doa xi-lanh, maùy eùp nhöïa laøm ñeá giaày, caùn theùp, heä thoáng töï ñoäng pha troän nguyeân lieäu, maùy ly taâm ñònh hình khi ñuùc … Vì theá, vieäc ñieàu khieån vaø oån ñònh toác ñoä ñoäng cô ñöôïc xem nhö vaán ñeà chính yeáu cuûa caùc heä thoáng ñieàu khieån trong coâng nghieäp. Ñieàu chænh toác ñoä ñoäng cô laø duøng caùc bieän phaùp nhaân taïo ñeå thay ñoåi caùc thoâng soá nguoàn nhö ñieän aùp hay caùc thoâng soá maïch nhö ñieän trôû phuï, thay ñoåi töø thoâng … Töø ñoù taïo ra caùc ñaëc tính cô môùi ñeå coù nhöõng toác ñoä laøm vieäc môùi phuø hôïp vôùi yeâu caàu cuûa phuï taûi cô. Coù hai phöông phaùp ñeå ñieàu chænh toác ñoä ñoäng cô: Bieán ñoåi caùc thoâng soá cuûa boä phaän cô khí töùc laø bieán ñoåi tyû soá truyeàn chuyeån tieáp töø truïc ñoäng cô ñeán cô caáu maùy saûn xuaát.

Bieán ñoåi toác ñoä goùc cuûa ñoäng cô ñieän. Phöông phaùp naøy laøm giaûm tính phöùc taïp cuûa cô caáu vaø caûi thieän ñöôïc ñaëc tính ñieàu chænh, ñaëc bieät linh hoaït khi öùng duïng caùc heä thoáng ñieàu khieån baèng ñieän töû. Vì vaäy, boä bieán taàn ñöôïc söû duïng ñeå ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô theo phöông phaùp naøy. Ngoaøi ra caàn phaân bieät ñieàu chænh toác ñoä vôùi söï töï ñoäng thay ñoåi toác ñoä khi phuï taûi thay ñoåi cuûa ñoäng cô ñieän.

Nhö teân goïi, boä bieán taàn söû duïng trong heä truyeàn ñoäng, chöùc naêng chính laø thay ñoåi taàn soá nguoàn cung caáp cho ñoäng cô ñeå thay ñoåi toác ñoä ñoäng cô nhöng neáu chæ thay ñoåi taàn soá nguoàn cung caáp thì coù theå thöïc hieän vieäc bieán ñoåi naøy theo nhieàu phöông thöùc khaùc, khoâng duøng maïch ñieän töû. Tröôùc kia. khi coâng ngheä cheá taïo linh kieän baùn daãn chöa phaùt trieån, ngöôøi ta chuû yeáu söû duïng caùc nghòch löu duøng maùy bieán aùp. Öu ñieåm chính cuûa caùc thieát bò daïng naøy laø soùng daïng ñieän aùp ngoõ ra raát toát (ít haøi) vaø coâng suaát lôùn (so vôùi bieán taàn hai baäc duøng linh kieän baùn daãn) nhöng coøn nhieàu haïn cheá nhö: - Giaù thaønh cao do phaûi duøng maùy bieán aùp coâng suaát lôùn.h: Nguyeãn Phöông Quang Trang 1 Chöông 1: MÔÛ ÑAÀU G.S Nguyeãn Vaên Nhôø - Toån thaát treân bieán aùp chieám ñeán 50% toång toån thaát treân heä thoáng nghòch löu.

- Chieám dieän tích laép ñaët lôùn, daãn ñeán khoù khaên trong vieäc laép ñaët, duy tu, baûo trì cuõng nhö thay môùi. - Ñieàu khieån khoù khaên, khoaûng ñieàu khieån khoâng roäng vaø deã bò quaù ñieän aùp ngoõ ra do coù hieän töôïng baõo hoaø töø cuûa loõi theùp maùy bieán aùp. Ngoaøi ra, caùc heä truyeàn ñoäng coøn nhieàu thoâng soá khaùc caàn ñöôïc thay ñoåi, giaùm saùt nhö: ñieän aùp, doøng ñieän, khôûi ñoäng eâm (Ramp start hay Soft start), tính chaát taûi … maø chæ coù boä bieán taàn söû duïng caùc thieát bò baùn daãn laø thích hôïp nhaát trong tröôøng hôïp naøy. BIEÁN TAÀN ÑA BAÄC Ñoäng cô ñieän khoâng ñoàng boää Udc 0 a) Heä thoáng truyeàn ñoäng bieán taàn ña baäc - ñoäng cô ñieän khoâng ñoàng boää 2 baäc 3 baäc 5 baäc 9 baäc b) Ñieän aùp ngoõ ra thay ñoåi theo soá baäc bieán taàn c) Soùng daïng ñieän aùp taïi caùc ñieåm Hình 1.1: Heä thoáng truyeàn ñoäng bieán taàn - ñoäng cô ñieän khoâng ñoàng boää H.h: Nguyeãn Phöông Quang Trang 2 Chöông 1: MÔÛ ÑAÀU G.S Nguyeãn Vaên Nhôø Khaùi nieäm hai baäc xuaát phaùt töø quaù trình ñieän aùp giöõa moät ñaàu pha taûi (ñieåm a, b hoaëc c vôùi ñieåm 0 trong hình 1.1) cuûa nguoàn moät chieàu thay ñoåi giöõa hai baäc khaùc nhau (töông öùng trong sô ñoà hình 1.1 laø +U dc/2 vaø –Udc/2).

Ñieàu naøy daãn ñeán dV/dt khaù lôùn vaø hieän töôïng ñieän aùp common mode raát nghieâm troïng (xem chöông 2). Ñeå khaéc phuïc ñieàu naøy ngöôøi ta söû duïng boä nghòch löu aùp ña baäc (Multi-level Voltage Source Inverter: VSI), do tính phoå duïng coù theå goïi laø bieán taàn ña baäc (Multi-level Inverter). Ñaây laø moät phöông phaùp ñieàu cheá coù nhieàu öu ñieåm khi söû duïng ôû ñieän aùp cao vaø coâng suaát lôùn. Caùc nhöôïc ñieåm vöøa neâu trong bieán taàn hai baäc coù theå ñöôïc khaéc phuïc khi söû duïng boä bieán taàn ña baäc.

Cuï theå khi xeùt moät heä thoáng truyeàn ñoäng bieán taàn - ñoäng cô ñieän khoâng ñoàng boää vôùi thoâng soá ñoäng cô P = 800 kW; 4.16 kV; 60 Hz; cosφ = 0,8 coù sô ñoà khoái nhö hình 1-1 vaø Udc = 6 kV, sau khi thöïc hieän vieäc ño ñaït caùc thoâng soá thöïc teá, khi thay ñoåi soá baäc cuûa bieán taàn duøng trong heä truyeàn ñoäng, ta coù keát quaû nhö sau: Hình 1.2 a: Toång ñoä meùo daïng do haøi Hình 1.2 b: Giaù trò ñieän khaùng duøng trong boä loïc Hình 1.2 c: Coâng suaát truyeàn qua boä nghòch löu (Pcond) treân coâng suaát toån hao do ñoùng caét (Psw) Soá baäc cuûa bieán taàn Hình 1.2: Caùc ñaëc tính cuûa boä bieán taàn ño ñaït treân moät treân heä truyeàn ñoäng thöïc teá H.