I. Tổng Quan Hệ Truyền Động Biến Tần Back to Back BTB
Hệ truyền động điện đóng vai trò then chốt trong sản xuất công nghiệp, chuyển đổi điện năng thành cơ năng và điều khiển dòng năng lượng theo yêu cầu công nghệ. Sự phát triển của công nghệ bán dẫn đã giúp các bộ biến đổi điện tử công suất, đặc biệt là biến tần, ngày càng hoàn thiện. Ưu điểm của hệ truyền động biến tần là điều khiển động cơ đơn giản và hệ thống làm việc ổn định. Tuy nhiên, biến tần nguồn áp thông thường sử dụng chỉnh lưu Thyristor/Diode có nhược điểm là không thể trao đổi công suất từ tải về lưới, gây méo điện áp lưới do sóng hài bậc cao và cần điện trở hãm để tiêu tán năng lượng dư thừa. Biến tần Back-to-Back (BTB) sử dụng bộ chỉnh lưu PWM để khắc phục các nhược điểm này, hoạt động trên cả bốn góc phần tư.
1.1. Ứng Dụng Rộng Rãi của Động Cơ Không Đồng Bộ
Động cơ không đồng bộ được sử dụng phổ biến nhờ kết cấu đơn giản, vững chắc và ít bảo trì. Phương pháp điều chỉnh tần số là lựa chọn tối ưu để điều khiển động cơ vì nó tác động trực tiếp vào công suất điện đầu vào, đảm bảo độ cứng đặc tính cơ trong dải điều chỉnh rộng. Biến tần nguồn áp (VSI) được ưu tiên sử dụng cho động cơ không đồng bộ công suất nhỏ và trung bình vì nhiều lợi thế. Việc sử dụng biến tần làm cho động cơ rôto lồng sóc trở thành lựa chọn hàng đầu.
1.2. Nhược Điểm Biến Tần Thông Thường và Giải Pháp BTB
Biến tần nguồn áp thông thường gặp vấn đề về dòng điện sóng hài bậc cao gây méo điện áp lưới và khó khăn trong quá trình hãm, đảo chiều với tải động năng tích lũy lớn. Cấu trúc biến tần BTB, với bộ chỉnh lưu PWM, giải quyết các vấn đề này. “Biến tần này gồm hai khối chỉnh lưu và nghịch lưu có cấu tạo như nhau và có chung mạch một chiều, vì vậy thường được gọi là biến tần Back–to–Back (dựa lưng vào nhau). Biến tần có thể hoạt động trên cả bốn góc phần tư nên còn được gọi là biến tần 4 góc phần tư (4Q)”.
II. Phân Tích Sóng Hài Giải Pháp Khắc Phục Trong Biến Tần
Biến tần sử dụng chỉnh lưu Diode hoặc Thyristor tạo ra dòng điện hài bậc cao, gây nhiễu và tổn thất cho lưới điện. Các dòng hài này có thể gây ra cộng hưởng nguy hiểm nếu lưới điện kết nối với các phần tử như tụ điện. Các biện pháp khắc phục bao gồm sử dụng bộ lọc LC cộng hưởng nối tiếp hoặc bộ lọc dải rộng để triệt tiêu dòng hài. Việc lựa chọn các biện pháp phù hợp giúp giảm thiểu tác động tiêu cực lên lưới điện. Cần có các biện pháp để giảm ảnh hưởng của các dòng hài đến chất lượng điện năng.
2.1. Ảnh Hưởng Sóng Điều Hòa Bậc Cao Từ Chỉnh Lưu
Chỉnh lưu Diode và Thyristor tạo ra dòng điện điều hòa bậc cao, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. “Đối với bộ biến đổi chỉnh lưu điôt và thyristo m xung, khi vận hành sẽ gây ra ở lưới điện xoay chiều dòng điện điều hòa bậc cao cấp υ : υ = Km ± 1 (với K = 1, 2, 3,.)”. Giá trị hiệu dụng của dòng hài bậc υ được tính bằng công thức (1-1). Sóng hài gây ra tổn thất phụ và nhiễu cho lưới điện, đặc biệt nguy hiểm khi có các phần tử cộng hưởng.
2.2. Giải Pháp Sử Dụng Bộ Lọc Sóng Hài Hiệu Quả
Để khắc phục vấn đề sóng hài, có thể sử dụng bộ lọc LC cộng hưởng nối tiếp hoặc bộ lọc giải rộng. Bộ lọc LC ngắn mạch dòng điện điều hòa bậc cao. Bộ lọc dải rộng có thể triệt tiêu nhiều bậc hài khác nhau. Lựa chọn bộ lọc phù hợp phụ thuộc vào đặc điểm của lưới điện và yêu cầu về chất lượng điện năng.
III. Phương Pháp Điều Khiển Chỉnh Lưu PWM Ưu và Nhược Điểm
Điều khiển chỉnh lưu PWM (CLPWM) là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Phương pháp này cho phép điều khiển dạng sóng điện áp và dòng điện một cách linh hoạt, giúp giảm thiểu sóng hài và cải thiện hệ số công suất. Có nhiều cấu trúc điều khiển CLPWM khác nhau, mỗi cấu trúc có ưu và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp sẽ quyết định đến hiệu quả hoạt động của hệ thống.
3.1. Ước Lượng Vectơ Điện Áp Đầu Vào và Từ Thông Ảo
Để điều khiển CLPWM hiệu quả, cần ước lượng chính xác các đại lượng vectơ cơ bản, bao gồm vectơ điện áp đầu vào và vectơ từ thông ảo. Các phương pháp ước lượng khác nhau sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác và tốc độ đáp ứng của hệ thống. Việc chọn thuật toán ước lượng phù hợp rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất cao.
3.2. Các Cấu Trúc Điều Khiển CLPWM Phổ Biến Hiện Nay
Có nhiều cấu trúc điều khiển CLPWM khác nhau, bao gồm điều khiển theo vectơ điện áp (VOC, DPC) và điều khiển theo vectơ từ thông ảo (VFOC, VF-DPC). Mỗi cấu trúc có ưu nhược điểm riêng về độ phức tạp, độ chính xác và khả năng chống nhiễu. So sánh và lựa chọn cấu trúc phù hợp với yêu cầu cụ thể của ứng dụng là cần thiết.
3.3. So sánh các phương pháp điều khiển CLPWM
Đưa ra so sánh chi tiết về VOC, VFOC, DPC, VF-DPC. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, cần cân nhắc lựa chọn phương pháp phù hợp với yêu cầu của ứng dụng cụ thể. Các tiêu chí so sánh có thể bao gồm độ phức tạp tính toán, tốc độ đáp ứng, khả năng chống nhiễu và hiệu suất.
IV. Điều Khiển Động Cơ Không Đồng Bộ FOC và DTC So Sánh Chi Tiết
Điều khiển động cơ không đồng bộ là một phần quan trọng trong hệ truyền động. Hai phương pháp điều khiển phổ biến là điều khiển vectơ tựa từ thông rôto (FOC) và điều khiển trực tiếp mômen (DTC). Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, bao gồm độ chính xác, tốc độ đáp ứng và khả năng chống nhiễu.
4.1. Phân Tích Phương Pháp Điều Khiển Vectơ FOC
FOC là phương pháp điều khiển dựa trên việc điều khiển các thành phần dòng điện stator theo hệ tọa độ quay đồng bộ với từ thông rotor. Điều này cho phép điều khiển mômen và từ thông một cách độc lập, tương tự như động cơ DC. FOC có độ chính xác cao và khả năng điều khiển tốt, nhưng đòi hỏi bộ điều khiển phức tạp hơn.
4.2. Ưu Nhược Điểm của Điều Khiển Trực Tiếp Mômen DTC
DTC là phương pháp điều khiển trực tiếp mômen và từ thông stator bằng cách lựa chọn các vectơ điện áp phù hợp. DTC có cấu trúc đơn giản hơn FOC và tốc độ đáp ứng nhanh, nhưng độ chính xác có thể thấp hơn và có thể xuất hiện dao động mômen. DTC có nhiều biến thể khác nhau, bao gồm DTC cơ bản, DTC cải tiến và DTC với bảng chọn 12 sector.
4.3. So Sánh Ưu Điểm và Nhược Điểm của FOC và DTC
FOC và DTC có những ưu và nhược điểm riêng. FOC có độ chính xác cao, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều khiển chính xác. DTC có tốc độ đáp ứng nhanh, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều khiển nhanh. Lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.
V. Mô Phỏng Hệ Thống BTB Trên Matlab Simulink Plecs Hiệu Quả
Mô phỏng hệ thống trên các phần mềm như Matlab/Simulink/Plecs là một bước quan trọng trong quá trình nghiên cứu và phát triển hệ truyền động biến tần BTB. Mô phỏng cho phép kiểm tra và đánh giá hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện hoạt động khác nhau, giúp phát hiện và khắc phục các vấn đề tiềm ẩn trước khi triển khai thực tế. Các kết quả mô phỏng cung cấp thông tin quan trọng để tối ưu hóa thiết kế và điều khiển hệ thống.
5.1. Mô Hình Mô Phỏng VOC DTC và VFOC DTC
Luận văn này trình bày kết quả mô phỏng hệ biến tần BTB điều khiển theo phương pháp VOC-DTC trong các trường hợp khởi động (không tải và có tải), giảm tốc (có và không hãm tái sinh), và tải thế năng. Kết quả cho thấy ưu điểm nổi bật của biến tần BTB khi làm việc với tải thế năng, chứng minh khả năng làm việc trên cả bốn góc phần tư.
5.2. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng Trong Các Chế Độ Vận Hành
Phân tích chi tiết kết quả mô phỏng trong các chế độ khởi động, giảm tốc, và tải thế năng. Các kết quả này cho thấy khả năng làm việc ổn định và hiệu quả của hệ thống biến tần BTB. Phân tích giúp hiểu rõ hơn về đặc tính của hệ thống và tối ưu hóa các thông số điều khiển.
5.3. Ưu Điểm Của Biến Tần BTB trong Ứng Dụng Thực Tế
Kết quả mô phỏng cho thấy biến tần BTB có khả năng làm việc tốt trong nhiều chế độ vận hành khác nhau, đặc biệt hiệu quả với tải thế năng. Điều này chứng minh tính linh hoạt và ứng dụng rộng rãi của biến tần BTB trong thực tế. “chỉ ra ưu điểm nổi bật của biến tần BTB khi làm việc với tải thế năng và kết luận biến tần BTB có khả năng làm việc trên cả bốn góc phần tư”.
VI. Ảnh Hưởng Điện Trở Lưới Đến Hiệu Suất Biến Tần BTB
Điện trở phía lưới (R) có ảnh hưởng đến hiệu suất và đặc tính điều khiển của hệ thống. Việc đánh giá và bù trừ ảnh hưởng của R là cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác của hệ thống. Luận văn này đánh giá ảnh hưởng của R trong điều khiển chỉnh lưu PWM, tính chọn và mô phỏng ảnh hưởng của nó.
6.1. Đánh Giá Ảnh Hưởng Điện Trở Lưới Trong Điều Khiển CLPWM
Đánh giá chi tiết ảnh hưởng của điện trở phía lưới đến các đại lượng vectơ như vectơ từ thông ảo. So sánh thành phần trên trục α, β và góc pha γψ của vectơ từ thông ảo trong trường hợp bỏ qua R và tính đến R. Kết quả cho thấy sự thay đổi của các đại lượng này do ảnh hưởng của R.
6.2. Phương Pháp Bù Trừ Ảnh Hưởng Điện Trở Lưới Hiệu Quả
Để bù trừ ảnh hưởng của điện trở lưới, có thể sử dụng các bộ điều khiển PI hoặc các thuật toán phức tạp hơn. Việc bù trừ giúp cải thiện độ chính xác và độ ổn định của hệ thống. Luận văn có thể đề xuất và phân tích các phương pháp bù trừ khác nhau.
