Đề tài Nghiên cứu điều khiển biến tần khi các thiết bị nâng hạ làm việc ở chế độ hãm tái sinh

c công thức tính toán sau để tính các giá trị Up, Ut. * Ở góc phần sáu S1/ góc phần tư Q1: * Ở góc phần sáu S2 - Góc phần tư Q1: - Góc phần tư Q2: * Ở góc phần sáu S3 - Góc phần tư Q2: * Ở góc phần sáu S4 - Góc phần tư Q3: * Ở góc phần sáu S5 - Góc phần tư Q3: - Góc phần tư Q4: * Ở góc phần sáu S6 - Góc phần tư Q4: Khi có các giá trị Up và Ut áp dụng các công thức đã nêu ở trên ta tính được thời gian Tp và Tt. Nhận xét: Các công thức tính và ở trên có thể đưa về ba công thức tổng quát sau: Công thức a: Công thức b: Công thức c: Để lựa chọn đúng công thức cần tính ta phải biết vị trí của Us bằng cách xét dấu của và để tìm góc phần tư của Us. Biểu thức b sẽ đổi dấu khi Us đi qua biên giới giữa hai góc phần sáu. Xét dấu của b để xác định xem Us nằm ở góc phần sáu nào. Với thuật toán điều chế vectơ không gian cho phép ta tạo ra điện áp cung cấp cho động cơ không đồng bộ một cách linh hoạt cả về biên độ, tần số cũng như góc pha, người sử dụng có thể sử dụng bất kỳ thuật toán điều khiển nào từ thuật toán đơn giản đến những thuật toán phức tạp (tùy theo mong muốn về chất lượng điều khiển) để điều khiển cho động cơ. 2.2. Ứng dụng biến tần trong các cơ cấu nâng hạ Biến tần hiện nay được sử dụng rất phổ biến trong các cơ cấu nâng hạ nói chung, trong hầu hết thang máy nói riêng và trong rất nhiều ngành sản xuất khác vì các ưu điểm nổi bật của nó: Sử dụng cho động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc có kết cấu chắc chắn và giá thành rẻ làm giảm giá thành lắp đặt hệ thống và giảm chi phí hoạt động, bảo dưỡng trong khi vẫn đảm bảo các yêu cầu hoạt động của hệ thống. Có thể thay đổi vận tốc vô cấp một cách êm dịu cho động cơ xoay chiều mà các phương pháp điều khiển thuyển thống không thực hiện được. Linh hoạt thay đổi vận tốc động cơ theo các giá trị được đặt trước đáp ứng tốt quy trình hoạt động của hệ thống. Đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về điều khiển tương đương với các hệ truyền động một chiều vốn có cấu tạo phức tạp, giá thành cao và chi phí bảo dưỡng lớn. Có thể tiết kiệm năng lượng trong một số quy trình làm giảm chi phí vận hành, bảo dưỡng và chi phí sản xuất đồng thời tăng tuổi thọ cho động cơ và các thiết bị khác trong hệ thống. Chương 3 TRẢ NĂNG LƯỢNG VỀ NGUỒN Ở CHẾ ĐỘ HÃM TÁI SINH TRONG HỆ THỐNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3.1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ 3.1.1. Cấu tạo Cấu tạo động cơ không đồng bộ bao gồm hai phần là rôto và stato: - Stato (phần cảm): Là phần đứng yên trong động cơ, có cấu tạo gồm ba cuộn dây đặt lệch nhau 1200, ba cuộn dây khi được nối với nguồn điện xoay chiều ba pha sẽ sinh ra một từ trường quay trong không gian. Usc Rôto Usa Usb Stato - Rôto (phần ứng): Có cấu tạo là những thanh dẫn được nối với nhau bằng hai vòng ngắn mạch (rôto lồng sóc) hoặc hoặc được quấn bằng dây đồng cách điện (rôto dây quấn) trong các rãnh của lõi thép trục rôto. Đối với động cơ dây quấn, các đầu cảu dây quấn được đưa ra ngoài qua vành góp để đấu điện trở phụ nhằm cải thiện tính năng khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ. Để cải thiện tính năng khởi động cho động cơ rôto lồng sóc, rôto thường được cấu tạo rãnh sâu, rãnh kép so với tâm trục hoặc sử dụng các thiết bị phụ trợ như khởi động qua cuộn kháng, điện trở phụ, khởi động mềm… Hình 3.1. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha 3.1.2. Nguyên lý hoạt động Động cơ không đồng bộ họat động theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi cấp cho stato nguồn điện xoay chiều ba pha thì dây quấn stato sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ ω = 2πfs (fs là tần số nguồn cung cấp). Từ trường quay này quét trên dây quấn rôto và cảm ứng trên nó một sức điện động, khi dây quấn rôto được khép kín mạch sẽ tạo nên dòng điện. Từ thông do rôto và stato tạo nên sẽ tương tác với dòng điện rôto tạo nên mômen điện từ làm rôto quay. Tốc độ quay n của rôto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường stato n1. Nhờ có sự chuyển động tương đối giữa rôto và từ trường quay mà duy trì dòng điện rôto và mômen quay. Vì tốc độ của rôto khác với tốc độ của từ trường quay stato nên gọi là động cơ không đồng bộ. Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt: (3.1) (3.2) Trong đó: n1: Tốc độ quay của từ trường n: Tốc độ quay của rôto động cơ pc: Số đôi cực từ của động cơ 3.1.3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ Đặc tính cơ là đường đặc tính quan hệ giữa tốc độ và mômen của động cơ, được xây dựng dựa trên phương trình: (3.3) (3.4) Với r1, r’2: điện trở stato và rôto quy đổi về mạch stato Đối với động cơ công suất lớn có thể tính gần đúng: (3.5) Khi đó, hệ số trượt và mômen tới hạn tính bằng: n M n1 Mth Mc nđm (3.6) Hình 3.2. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3.1.4. Động cơ không đồng bộ khi hoạt động ở chế độ hãm tái sinh Chế độ hãm tái sinh của động cơ không đồng bộ xảy ra khi tốc độ của rôto động cơ lớn hơn tốc độ của từ trường quay stato. Lúc này động cơ tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới (để tạo ra từ trường quay) và phát trả công suất tiêu thụ về lưới. Có hai trạng thái xảy ra với hiện tượng này: Động cơ hoạt động với mômen cản mang dấu âm (nghĩa là mômen cản cùng chiều với với chiều quay rôto động cơ). Khi đó tải sẽ kéo rôto của động cơ quay nhanh hơn tốc độ của từ trường quay stato gây ra hiện tượng hãm tái sinh. Khi đang hoạt động ở tốc độ n nào đó, nếu ta giảm tốc độ của động cơ bằng cách giảm tần số nguồn cấp (trong điều khiển vòng hở không có phản hồi) hoặc giảm tốc độ đặt (trong điều khiển vòng kín theo một luật điều khiển nào đó). Quá trình động cơ giảm tốc cũng là quá trình có tốc độ rôto lớn hơn tốc độ quay của từ trường stato và cũng xảy ra quá trình hãm tái sinh. Trong hình 3.3 mô tả trạng thái hãm tái sinh của động cơ khi tốc độ của rôto lớn hơn tốc độ từ trường quay stato. n M n>nđb1 Mth Mc>0 Nt1 Mc<0 Nt2 Nt3 Nt4 f1 f2 f3 f4 n>nđb2 n>nđb3 n>nđb4 Hình 3.3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ở chế độ hãm tái sinh Khi tốc độ của rôto động cơ lớn hơn tốc độ đồng bộ tại một tần số fn nào đó thì chế độ hãm tái sinh của động cơ xảy ra (do mômen cản mang dấu âm hoặc khi chuyển đổi từ tần số cao sang tần số thấp). Ta tiến hành khảo sát thay đổi công suất và quan hệ điện từ bên trong động cơ không đồng bộ khi xảy ra quá trình hãm tái sinh bằng mô hình trong simulink như sau: Hình 3.4. Mô hình mô phỏng hãm tái sinh trong Simulink Tiến hành mô phỏng với động cơ không đồng bộ ba pha lòng sóc có các thông số được khai báo như sau: Hình 3.5. Hộp thoại khai báo thông số cho động cơ không đồng bộ. Ta tiến hành cấp cho động cơ bước nhảy mômen từ dương sang âm với giá trị ban đầu là 7N.m, sau thời gian ổn định vận tốc ta đảo chiều mômen có giá trị -7N.m tạo ra hãm tái sinh tại thời điểm 0,6s. Chạy mô hình mô phỏng cho ta các kết quả sau: a) b) Hình 3.6. Quá trình quá độ khi mô phỏng động cơ hãm tái sinh a) Mômen và tốc độ của động cơ b) Công suất thực và phản kháng của động cơ Hình 3.7. Thay đổi tốc độ - mômen trước và sau hãm tái sinh a) b) Hình 3.8. Dòng áp và mômen của động cơ trước và sau hãm tái sinh Hình 3.9. Giá trị góc lệch giữa điện áp - dòng điện của động cơ trước và sau hãm tái sinh Qua mô phỏng đã cho ta thấy hiện tượng đảo chiều công suất thực (hình 3.6b) phát trả công suất về lưới khi động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh. Trong khi đó, thành phần công suất phản kháng vẫn giữ nguyên giá trị, tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện để tạo ra từ trường ở stato động cơ. Đồng thời, lúc này cũng xảy ra sự thay đổi góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện stato được biểu diễn ở hình 3.8a và hình 3.9. Giá trị góc lệch này có thể miêu tả đơn giản dưới dạng vectơ như hình 3.10. us is j1 us is j2 Hình 3.10. Đồ thị góc lệch giữa điện áp và dòng điện của động cơ Ban đầu, động cơ không đồng bộ ở chế độ hoạt động bình thường, giá trị góc lệch giữa điện áp và dòng điện là φ1 < 900 và giá trị này phụ thuộc vào cosφ định mức do nhà sản xuất chế tạo cũng như phụ thuộc vào chế độ mang tải của động cơ, nếu động cơ non non tải (mômen cản nhỏ) sẽ càng làm cho góc lệch này tăng thêm. Khi động cơ không đồng bộ chuyển sang chế độ hãm tái sinh, giá trị góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện là góc φ2 > 900. Lúc này, dòng điện ngược pha với điện áp phát trả công suất về lưới. Tuy nhiên, sự thay đổi giá trị của φ2 ngược lại với sự thay đổi của φ1, nếu động cơ được kéo với mômen nhỏ sẽ làm giảm góc lệch φ2. Qua khảo sát đã tìm hiểu quá trình trả năng lượng về nguồn trong chế độ hãm tái sinh của động cơ không đồng bộ. Khi động cơ nối trực tiếp với lưới điện thì dòng năng lượng có thể dịch chuyển tự do, tuy nhiên nếu động cơ được nối với lưới thông qua biến tần thì việc dịch chuyển dòng năng lượng sẽ gặp phải vấn đề do các thiết bị bán dẫn trong mạch công suất. Vấn đề này sẽ được trình bày và giải quyết trong phần tiếp theo của luận văn. 3.2. Trả năng lượng về nguồn trong hệ thống biến tần – động cơ không đồng bộ 3.2.1. Trao đổi công suất giữa lưới và tải đối với truyền động biến tần động cơ xoay chiều Đối với biến tần sử dụng chỉnh lưu diode, chỉ cho phép năng lượng đi theo một chiều duy nhất. Vì vậy năng lượng không thể được trả về lưới từ động cơ mà bị tiêu hao trên các điện trở được điều khiển bởi các ngắt điện nối dọc theo mạch một chiều. Phương pháp xử lý vấn đề này là dùng điện trở dập năng lượng ngay tại mạch một chiều hoặc dùng thêm một bộ nghịch lưu đấu với lưới, làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới. Tuy nhiên, trong trường hợp mắc điện trở, nếu công suất cao thì đòi hỏi điện trở lớn gây khó khăn trong việc chế tạo cũng như tản nhiệt, trường hợp mắc thêm một bộ nghịch lưu cũng gây tốn kém. Bộ CL Bộ NL Rh a) Bộ CL Bộ NL Bộ NL phục vụ hãm tái sinh b) Hình 3.11. Các biện pháp xử lý năng lượng trong chế độ hãm tái sinh của động cơ a. Dập năng lượng bằng điện trở ở mạch một chiều b. Mắc thêm một bộ nghịch lưu để trả năng lượng về lưới Ngoài ra, các phương pháp vừa nêu trên còn tồn tại những vấn đề như: hệ thống cồng kềnh, đầu tư lớn, lọc sóng hài bậc cao khó, khi công suất hệ lớn thì điều chỉnh khó khăn. Trong chỉnh lưu diode chỉ cho phép năng lượng chảy theo một chiều và không điều khiển được. Sự thay đổi của năng lượng sẽ xuất hiện một cách tự nhiên với sự thay đổi của điện áp nguồn cấp và tải. Trong nhiều ứng dụng năng lượng cần được điều khiển. Thậm chí đối với tải đòi hỏi điện áp không đổi hay dòng điện không đổi, điều khiển là việc cần thiết để bù nguồn cấp và sự thay đổi của tải. Chỉnh lưu thyristor có thể điều khiển được năng lượng bởi nguyên lý điều khiển pha bằng cách thay đổi góc mở của thyristor. Bộ biến đổi này còn có thêm khả năng biến đổi năng lượng từ một chiều sang xoay chiều hay hoạt động ở chế độ nghịch lưu. Khi góc α nằm giữa 0 và Π/2 nó hoạt động ở chế độ chỉnh lưu, góc α nằm giữa Π/2 và Π thì nó hoạt động ở chế độ nghịch lưu và năng lượng từ nguồn một chiều chảy về lưới xoay chiều. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là dòng điện chứa nhiều sóng điều hoà bậc cao làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Bên cạnh đó, còn gây ra hệ số công suất thấp. Do các nhược điểm của bộ chỉnh lưu cũ đòi hỏi phải tìm ra 1 bộ chỉnh lưu mới thoả mãn các điều kiện: Chứa ít sóng điều hoà bậc cao. Hệ số cos φ cao. Năng lượng chảy được theo theo hai chiều. Như vậy vấn đề đặt ra ở đây là phải tìm ra một loại chỉnh lưu tự nó thoả mãn những yêu cầu đã nêu trên. Giải pháp là sử dụng bộ chỉnh lưu với các van bán dẫn transistor được điều khiển bằng thuật toán điều chế độ rộng xung PWM (gọi tắt là chỉnh lưu PWM), bộ chỉnh lưu này thoả mãn các điều kiện trên và sẽ là giải pháp thay thế các bộ chỉnh lưu cũ. 3.2.2. Chỉnh lưu PWM a) Cấu trúc mạch UA UB UC IA IB IC Tải Cấu trúc cơ bản chỉnh lưu PWM được cho trong hình 3.12 dưới đây C Hình 3.12. Cấu trúc mạch chỉnh lưu PWM Cấu trúc phổ biến này có các ưu điểm là sử dụng các module ba pha số lượng van nhỏ nên có thể giảm giá thành, năng lượng có khả năng chảy hai chiều. Cấu trúc này có triển vọng nên đang được phát triển.Trong hệ thống phân bố năng lượng một chiều hay biến đổi xoay chiều/ một chiều/ xoay chiều, năng lượng xoay chiều đầu tiên được biến đổi sang một chiều nhờ vào chỉnh lưu ba pha PWM. Nó cho hệ số công suất bằng một và dòng điện chứa ít thành phần sóng hài bậc cao. Các bộ biến đổi này nối với đường truyền một chiều sẽ mang lại cho tải những chuyển đổi mong muốn như thay đổi tốc độ truyền động động cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, bộ biến đổi từ một chiều sang một chiều, hoạt động đa truyền động, v.v.... Hơn nữa, biến đổi xoay chiều/ một chiều/ xoay chiều sẽ mang lại một số điểm sau: Động cơ có thể hoạt động ở tốc độ cao hơn mà không cần giảm từ trường (bởi sự duy trì điện áp đường truyền một chiều trên điện áp đỉnh của nguồn cấp). Bộ Chỉnh lưu Bộ Nghịch lưu Phản ứng của bộ điều khiển điện áp có thể được cải tiến bởi tín hiệu đưa đến từ tải dẫn đến giảm đến mức tối thiểu điện dung 1 chiều, trong khi việc duy trì được điện áp một chiều dưới giới hạn cho phép thay đổi tải. Hình 3.13. Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều Hình 3.14. Hệ thống phân phối điện năng một chiều b) Cấu trúc mạch lực và hoạt động của chỉnh lưu PWM * Cấu trúc mạch lực của chỉnh lưu PWM Phía xoay chiều Phía một chiều Bộ biến đổi cầu Tải Hình 3.15. Sơ đồ thay thế đơn giản của chỉnh lưu 3 pha PWM cho công suất chảy theo cả hai chiều uL us = uconv RiL jωLiL iL Hình 3.16. Sơ đồ thay thế điện của một nhánh Hình 3.14 biểu diễn một pha của mạch chỉnh lưu giới thiệu ở hình 3.13. L và R là điện cảm của lưới, uL là điện áp lưới và uS là điện áp bộ chuyển đổi có thể điều khiển được từ phía một chiều. * Điều kiện để chỉnh lưu PWM hoạt động Điều kiện hoạt động của chỉnh lưu PWM: Vdcmin>VCL tự nhiên (thường ít nhất là 20%). Có cuộn cảm đầu vào để tạo kho từ trao đổi năng lượng với lưới. Điều khiển chỉnh lưu theo luật điều khiển PWM. Quá trình làm việc của chỉnh lưu PWM yêu cầu một giá trị điện áp một chiều nhỏ nhất. Thông thường, có thể xác định bằng điện áp dây lớn nhất: Vdcmin>VLN(rms)..= 2,45.VLN(rms) (3.7) Ta có biểu thức điện áp udc> (3.8) Biểu thức trên chỉ ra mối quan hệ giữa điện áp nguồn và điện áp một chiều đầu ra, dòng điện (tải) và cảm kháng. Cuộn cảm phải được lựa chọn kỹ bởi cảm kháng thấp sẽ làm cho dòng điện nhấp nhô lớn và làm cho việc thiết kế phụ thuộc nhiều vào trở kháng đường dây. Cảm kháng có giá trị lớn làm giảm độ nhấp nhô dòng điện, nhưng đồng thời cũng làm giảm giới hạn làm việc của chỉnh lưu. Điện áp rơi trên cuộn cảm có ảnh hưởng tới dòng điện nguồn. Điện áp rơi này được điều chỉnh bởi điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM nhưng giá trị lớn nhất được giới hạn bởi điện áp 1 chiều. Kết quả là, dòng điện lớn (công suất lớn) qua cảm kháng cũng cần điện áp một chiều lớn hay cảm kháng nhỏ. Vì vậy, sau khi biến đổi phương trình (3.7) độ tự cảm lớn nhất xác định: L< (3.9) * Giản đồ vectơ Cuộn cảm được nối giữa đầu vào chỉnh lưu và lưới đóng vai trò là bộ tích phân trong mạch. Nó mang đặc tính nguồn dòng của mạch đầu vào và cung cấp đặc trưng tăng thế của bộ biến đổi. Dòng điện lưới iL được điều khiển bởi điện áp rơi trên điện cảm L nối giữa 2 nguồn áp (lưới và bộ biến đổi). Nó có nghĩa rằng điện áp của cuộn cảm uL tương đương với độ chênh lệch giữa điện áp lưới và điện áp bộ biến đổi. Khi điều khiển góc pha ε và biên độ của điện áp bộ biến đổi, tức là đã điều khiển gián tiếp pha và biên độ của dòng điện lưới. Theo cách này, giá trị trung bình và dấu của dòng điện 1 chiều là đối tượng để điều khiển tỷ lệ với công suất tác dụng qua bộ biến đổi. Công suất phản kháng có thể được điều khiển một cách độc lập với sự thay đổi của thành phần dòng điều hoà cơ bản iL đối với điện áp uL. q d uL jωLiL us RiL iL q d jωLiL RiL us uL ε q d RiL uL jωLiL us ε a) b) c) Hình 3.17. Giản đồ pha cho chỉnh lưu PWM a) Đồ thị véctơ bộ chỉnh lưu thông thường b) Đồ thị véctơ bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng 1 c) Đồ thị véctơ bộ chỉnh lưu PWM hoạt động ở chế độ nghịch lưu với hệ số công suất = 1 Hình 3.15 giới thiệu đồ thị véctơ với các trường hợp bộ chỉnh lưu thông thường và bộ chỉnh lưu PWM ở hai chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu. Như vậy bộ chỉnh lưu PWM cho phép năng lượng chảy theo 2 chiều và có hệ số công suất = ±1. Hình vẽ cho thấy vector điện áp us  trong quá trình tái sinh cao hơn (lên đến 3%) so với chế độ chỉnh lưu. Nó có nghĩa là 2 chế độ này là không đối xứng. * Các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi PWM Khi sử dụng bộ chỉnh lưu PWM, điện áp phía xoay chiều của chỉnh lưu PWM có thể điều khiển được cả biên độ và pha để thu được dòng điện lưới hình sin với hệ số công suất bằng 1. Thêm vào đó, chỉnh lưu PWM cung cấp điện áp một chiều ổn định và hoạt động như một bộ lọc tích cực lưới điện dùng để bù sóng điều hoà và công suất phản kháng tại các điểm chồng chéo nhau trong mạng phân bố. Điện áp bộ biến đổi cầu có thể được đặc trưng bởi 8 trạng thái chuyển mạch có thế (6 trạng thái tích cực và 2 trạng thái 0) được mô tả bởi phương trình: Với k =0.....5 (3.10) Hình 3.18. Các trạng thái chuyển mạch của bộ chỉnh lưu PWM 3.2.3. Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM a) Giới thiệu chung về các cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM Vì thế trên thế giới đã đưa ra nhiều cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu PWM. Các cấu trúc này về cơ bản thì cùng thực hiện một mục đích nhưng nguyên tắc của chúng khác nhau. Chúng được phân loại dựa trên hai nguyên tắc: Điều khiển dựa trên điện áp và điều khiển dựa trên từ thông ảo. - Điều khiển dựa trên điện áp là ước lượng điện áp lưới và sẽ được điều khiển bằng dòng điện hay công suất. Điện áp lưới nếu điều khiển bằng dòng điện thì gọi là phương pháp VOC (Voltage Oriented Control), theo công suất là phương pháp DPC (Direct Power Control). Trước hết cần ước lượng điện áp lưới bằng cách cộng điện áp đặt đầu vào bộ chỉnh lưu với điện áp rơi trên cuộn cảm. Sau đó, dựa trên điện áp lưới đã ước lượng được sẽ tiến hành điều khiển bằng dòng điện (VOC) hay theo công suất (DPC). + Cấu trúc điều khiển VOC (Voltage Oriented Control) sử dụng mạch vòng điều khiển dòng điện là cấu trúc đã được phát triển và rất phổ biến. Cấu trúc này dựa trên việc chuyển đổi giữa hệ trục toạ độ cố định α – β và hệ trục toạ độ quay động bộ d – q. Phương pháp này đẳm bảo đáp ứng tức thời nhanh và hiệu suất tĩnh cao thông qua các mạch vòng điều khiển dòng điện bên trong. + Cấu trúc điều khiển DPC (Direct Power Control) dựa trên các mạch vòng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng tức thời. Trong cấu trúc DPC, không có mạch vòng điều khiển dòng điện và không có khối điều chế PWM vì các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi được chọn bởi bảng chuyển mạch dựa trên sự sai lệch giữa giá trị ước lượng và giá trị điều khiển của công suất tác dụng và công suất phản kháng. Do đó, một điểm quan trọng khi thực hiện cấu trúc DPC là phải ước lượng nhanh và chính xác công suất tác dụng và công suất phản kháng. - Điều khiển dựa trên từ thông ảo là phương pháp điều khiển mà ta phải ước lượng từ thông ảo của lưới bằng việc áp dụng phương pháp điều khiển từ thông stator của động cơ không đồng bộ cho lưới điện. Sau đó, ta tiến hành điều khiển bằng mạch vòng dòng điện (VFOC) hay điều khiển theo công suất (VF-DPC). VFOC tương tự như VOC, còn VF-DPC cũng tương tự như DPC. Chúng chỉ khác nhau ở chỗ điều khiển dựa trên điện áp hay dựa trên từ thông ảo. Ta có sơ đồ các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM như sau: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM Điều khiển dựa trên điện áp Điều khiển dựa trên từ thông ảo VOC DPC VFOC VF-DPC Hình 3.19. Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM b) Mô tả toán học chỉnh lưu PWM Mối quan hệ cơ bản giữa các vector chỉnh lưu PWM thể hiện trong hình Hình 3.20. Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lưu PWM c) Mô tả dòng điện và điện áp nguồn Dòng điện và điện áp nguồn 3 pha: (3.11a) (3.11b) (3.11c) (3.12a) (3.12b) (3.12c) Trong đó: Em(Im) và w là biên độ điện áp (dòng điện) pha và tần số góc tương ứng, với giả thiết: ia+ib+ic=0 (3.13) Chúng ta có thể chuyển phương trình 3-11 sang hệ α-β. Khi đó điện áp đầu vào trong hệ toạ độ α-β được biểu diễn bởi: (3.14) (3.15) Và điện áp đầu vào trong hệ toạ độ quay d-q (hình 3.18) được biểu diễn: (3.16) d) Mô tả điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM Điện áp dây đầu vào chỉnh lưu PWM có thể mô tả với sự trợ giúp của hình 1.10 như sau: (3.17a) (3.17b) (3.17c) và điện áp pha được tính như sau: (3.18a) (3.18b) (3.18c) Trong đó: (3.19a) (3.19b) (3.19c) fa, fb, fc nhận các giá trị : 0; 1/3; 2/3 tùy thuộc vào vị trí chuyển mạch của các van trong mạch động lực. e) Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM Phương trình điện áp hình 3.15b được viết như sau: (3.20) ( 3.21) (3.22) Ngoài ra dòng điện: (3.23) Kết hợp các phương trình 3.18, 3.19, 3.22, 3.23 ta thu được sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ 3 pha như hình sau: Hình 3.21. Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ tự nhiên * Mô toán học bộ chỉnh lưu PWM hệ toạ độ tĩnh α-β Phương trình điện áp trong khung toạ độ tĩnh α-β tìm được bằng cách áp dụng phương trình: (3.24) Vào các phương trình (2.12), (2.13) (3.25) và (3.26) Trong đó: (2.17) Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ tĩnh α-β như sau. Hình 3.22. Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ tĩnh α-β * Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q Các phương trình trong hệ toạ độ d-q có được bằng cách biến đổi phương trình: (3.28) Ta được (3.29a) (3.29b) (3.30) Với: Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ d-q: Hình 3.23. Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q Trong thực tế, có thể bỏ qua điện trở R, bởi vì điện áp rơi trên R nhỏ hơn nhiều so với điện áp rơi trên cuộn dây. Các phương trình (3.23), (3.25), (3.28) có thể viết đơn giản: (3.31) (3.32) (3.33) (3.34) (3.35) Công suất tác dụng và công suất phản kháng từ nguồn xác định bởi: (3.36) (3.37) Trong hệ toạ độ d-q: (3.38) (3.39) Nếu giả sử hệ số công suất bằng 1, ta có Hình 3.24. Dòng công suất trong bộ biến đổi AC/DC hai chiều phụ thuộc vào hướng iL 3.2.4. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp DPC Bảng đóng cắt TẢI Khâu đo dòng ước lượng điện áp hoặc từ thông ảo và công suất tức thời Chọn sector hay Hình 3.25. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển DPC Công suất phản kháng qref (được đặt là 0 cho trường hợp hệ số công suất bằng 1) và công suất tác dụng pref (lấy từ bộ điều khiển điện áp PI-DC) được so sánh lần lượt với giá trị ước lượng p và q trong bộ điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng và công suất tác dụng trễ của bộ điều khiển. Tín hiệu số hoá đầu ra của bộ điều khiển được định nghĩa là dq=1 với q<qref - Hq dq=0 với q>qref +Hq và tương tự với công suất tác dụng dp=1 với q<qref - Hp dp=0 với q>qref +Hp Trong đó Hp và Hq là những dải trễ Các biến số hoá dp và dq với vị trí vector hiệu điện thế gUl= arctg (ULa/ULb) hoặc vị trí vector từ thông gyl=arctg (yLa/ y Lb) hình thành từ kỹ thuật số có thể tra được trong bảng tương ứng với vector hiệu điện thế trong bảng chuyển mạch. Vùng vị trí của vector hiệu điện thế và từ thông được chia thành 12 sector và các sector được biểu diễn dưới dạng số như sau: với n=1,2....12 Hình 3.26. Chọn sector cho phương pháp điều khiển DPC Sau khi đã xác định được vị trí từ thông ảo thuộc sector nào, ta sẽ lựa chọn trạng thái đóng cắt tối ưu cho các van của mạch cầu chỉnh lưu nhờ vào bảng chuyển mạch (Switshing Table): Bảng 3.1. Bảng chuyển mạch 12 sector dùng cho phương pháp điều khiển DPC dp dq Sector 1 Sector 2 Sector 3 Sector 4 Sector 5 Sector 6 Sector 7 Sector 8 Sector 9 Sector 10 Sector 11 Sector 12 1 0 101 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001 1 110 111 010 000 011 111 001 000 101 111 100 000 0 0 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 1 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 101 100 a) Ước lượng từ thông ảo trên hệ trục toạ độ a-b Dựa vào điện áp một chiều đo được Udc và các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi Sa, Sb, Sc điện áp đầu vào của bộ chỉnh lưu có thể ước lượng như sau: (3.40a) (3.40b) Các thành phần của từ thông ảo được tính toán từ 2.32 trong hệ toạ độ cố định (α - β): (3.41a) (3.41b) b) Ước lượng công suất tức thời dựa vào từ thông ảo (3.42a) (3.42b) Hình 3.27. Sơ đồ khối ước lượng từ thông ảo với bộ lọc đầu vào Ước lượng từ thông ảo Công thức 2.31 a, b Ước lượng công suất tác dụng và công suất phản kháng tức thời Công thức 2.32 a, b Hình 3.28. Sơ đồ khối ước lượng công suất tức thời dựa trên từ thông ảo 3.2.5. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp VOC - iq ref = 0 id ref Ua Ub Uc L L L Ia Ib Ic Ia Ib Khâu đo dòng điện và ước lượng điện áp lưới Khâu điều chế độ rộng xung PWM PWM TẢI a-b d-q a-b a-b d-q d-g PI PI PI - - Udc ref Udc DUdc DId DIq singUL cosgUL iLq iLd USd USq Hình 3.29. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển VOC Đặc điểm của phương pháp điều khiể