Trang chủ Diễn đàn Ứng dụng Matlab - Simulink để mô phỏng bộ điều khiển nghịch lưu cầu ba pha theo phương pháp điều chế độ rộng xung

Ứng dụng Matlab - Simulink để mô phỏng bộ điều khiển nghịch lưu cầu ba pha theo phương pháp điều chế độ rộng xung

KS. Đào Hiếu
Đại học Mỏ- Địa chất Hà Nội

I. Đặt vấn đề
Với đặc điểm cấu trúc đơn giản và giá thành thấp, động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) được sử dụng ngày càng nhiều trong các hệ thống truyền động điện công nghiệp. Như chúng ta đã biết, một ĐCKĐB hoạt động ở tốc độ định mức khi nó được cung cấp điện áp định mức và mang tải định mức.

Tuy nhiên trong các ứng dụng thực tế hầu hết các động cơ không làm việc với tốc độ không đổi, với các ứng dụng mà tốc độ động cơ phải thay đổi liên tục theo đặc tính của tải, thì việc chủ động điều khiển được tốc độ động cơ là rất quan trọng. So với động cơ điện một chiều, việc điều khiển tốc độ ĐCKĐB gặp nhiều khó khăn do đặc điểm thông số của ĐCKĐB là các đại lượng biến đổi theo thời gian, cũng như cấu trúc của ĐCKĐB so với động cơ một chiều.

Hình 1. Sơ đồ nghịch lưu 3 pha nguồn áp hình cầu

Hiện nay, trong các hệ truyền động sử dụng ĐCKĐB, để thay đổi tốc độ người ta sử dụng một số phương pháp như thay đổi điện trở phụ roto, thay đổi điện áp stato thay đổi số đôi cực p, thay đổi tần số điện áp stato [1]. Tốc độ của ĐCKĐB tỉ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp. Do đó, nếu thay đổi tần số của nguồn cung cấp cho động cơ thì sẽ thay đổi được tốc độ của động cơ. Tuy nhiên việc thay đổi tần số lưới điện cấp cho động cơ là không thể, chính vì lý do này mà khái niêm về bộ biến đổi tần số trong điều khiển tốc độ ĐCKĐB ra đời Variable Frequency Drive (VFD)
VFD không chỉ có khả năng thay đổi tốc độ động cơ mà còn giúp giảm năng lượng tiêu thụ của hệ thống. Có nhiều hệ thống mà năng lượng tiêu thụ của hệ tỉ lệ bậc ba, bậc bốn với tốc độ của động cơ như quạt gió, máy bơm... Ví dụ: một máy bơm ly tâm khi tốc độ giảm 20% thì năng lượng tiêu thụ giảm tới 50% [4].
Trong một thiết bị VFD thì khâu quan trọng nhất chính là khâu biến đổi từ nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều hai hoặc ba pha với tần số của nguồn tạo ra có thể thay đổi được. Khâu này được gọi là nghịch lưu (hình 1). Để một bộ VFD làm việc như mong muốn thì việc điều khiển khâu nghịch lưu làm việc như thế nào là vô cùng quan trọng. Một số tài liệu [1], [2] chỉ ra phương pháp tốt nhất để điều khiển khâu nghịch lưu là phương pháp điều chế độ rộng xung Pulse Width Modulation ( PWM ).
Để chứng minh điều này, tác giả sử dụng công cụ Matlab-Simulink để tiến hành mô phỏng bộ điều khiển nghịch lưu cầu ba pha theo phương pháp điều chế độ rộng xung.
Phần còn lại của bài báo được bố cục như sau : Nguyên lý của phương pháp PWM được trình bày ở phần 2; thuật toán điều chế và kết quả mô phỏng bằng công cụ Matlab-Simulink được trình bày ở phần 3; cuối bài báo là phần kết luận.
II. Nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM)

Hình 2: Nguyên lý điều chế độ rộng xung đơn cực

Điều chế độ rộng xung là thực hiện việc tạo ra các chuỗi xung vuông liên tục để đưa vào chân điều khiển của các van bán dẫn trong nghịch lưu (hình 1). Các chuỗi xung này được điều khiển độ rộng và phối hợp sao cho nhận được điện áp ra tải gần với hình sin nhất. Chu kỳ đóng – mở của các van bán dẫn tương ứng với chu kỳ của xung điều khiển. Độ rộng của xung điều khiển được tạo ra sao cho có độ rộng lớn nhất ở đỉnh của sóng hình sin và nhỏ nhất ở những điểm sóng sin bằng không. Chú ý rằng diện tích của mỗi xung tương ứng gần với diện tích dưới dạng sóng hình sin mong muốn giữa hai khoảng mở liên tiếp của van bán dẫn. Dạng điều khiển này được gọi là điều chế theo độ rộng xung

* Điều chế độ rộng xung đơn cực:
Điều khiển độ rộng xung đơn cực là thực hiện điều khiển các van bán dẫn trong nghịch lưu theo từng van riêng biệt, xung tạo ra có những phần ở mức điện áp dương và có những phần bằng không.
Để xác định được các thời điểm mồi cần thiết theo phương pháp PWM, thuật toán được lựa chọn là tạo ra một sóng hình sin chuẩn mong muốn và so sánh nó với các dãy xung tam giác được biểu diễn trên hình 2, giao điểm giữa hai sóng đó xác định thời điểm mồi.
Hình 2a vẽ giản đồ điện áp đầu ra cực đại.
Hình 2b cho thấy khi muốn sóng cơ bản điện áp đầu ra giảm đi một nửa thì sóng sin chuẩn phải giảm đi một nửa.
Hình 2c cho thấy khi giảm tần số sóng sin chuẩn thì số xung ở mỗi nửa chu kỳ tăng lên.

Hình 2: Nguyên lý điều chế độ rộng xung lưỡng cực

* Điều chế độ rộng xung lưỡng cực:
Phương pháp điều chế độ rộng xung lưỡng cực thực hiện điều khiển các van bán dẫn IGBT theo từng cặp. Điện áp ra trên tải là một chuỗi xung có độ rộng khác nhau, không có những đoạn u = 0 (Hình 3).
III. Giải pháp xử lý khi áp dụng phương pháp PWM
Trên cơ sở phương pháp điều chế PWM (mục II), để dạng sóng thu được càng gần với hình sin, giải pháp được đưa ra là tuyến tính hóa từng đoạn sóng hình sin mà ta cần tạo ra. Cụ thể như sau:
Xét trên một pha bất kỳ trong khoảng thời gian là một nửa chu kỳ, đây là khoảng thời gian điều khiển mở một van nào đó trong 6 van IGBT của nghịch lưu trong một chu kỳ. Khoảng thời gian nửa chu kỳ này được chia thành nhiều khoảng thời gian T đều nhau, trong mỗi một khoảng thời gian T đó các xung phát ra có độ rộng hoàn toàn giống nhau (Hình 4).

Hình 4. Nguyên lý phát xung điều khiển

Độ rộng của xung điều khiển tăng dần khi chuyển từ khoảng thời gian T này sang khoảng thời gian T liền sau đó ở giai đoạn tăng của một nửa sóng sin (Hình 4).
Độ rộng của xung điều khiển giảm dần khi chuyển từ khoảng thời gian T này sang khoảng thời gian T liền sau đó ở giai đoạn giảm của một nửa sóng sin (Hình 4).
Xung điều khiển cho một IGBT sẽ được điều chế như hình 4 theo nguyên lý điều chế độ rộng xung đơn cực. Theo đó nguyên lý làm việc như sau:

(Giây)

T chính là khoảng thời gian chia để tuyến tính hóa, khi khoảng thời gian T càng nhỏ thì đặc tính của điện áp thu được càng gần với hình sin hơn.
Khoảng thời gian T được tính toán theo công thức:

(Giây)

Trong đó    
n là một số nguyên dương.
f là tần số của sóng sin cần tạo ra.
Khi đó khoảng thời gian trễ giữa hai pha của nguồn ba pha được tạo ra là:
Để kết quả của các phép tính toán được chẵn và giảm sai số tốt nhất nên chọn n chia hết cho 3.
 chính là độ rộng của một xung điều khiển. Độ rộng của xung điều khiển đặc trưng cho giá trị của điện áp ra trong khoảng thời gian T. Dựa trên biên độ của dạng sóng sin muốn tạo ra, có thể tính toán được độ rộng xung ở các khoảng thời gian T khác nhau trong một chu kỳ của sóng sin. Độ rộng xung ở khoảng thời gian T đầu tiên được tính toán như sau:

(Giây)

Trong đó:
Độ rộng xung tạo ra
a Số xung tạo ra trong khoảng thời gian T.
f Tần số của sóng sin muốn tạo ra.
U Biên độ cực đại của sóng sin muốn tạo ra.
IV. Mô phỏng Matlab hệ thống điều khiển nghịch lưu theo phương pháp PWM
Từ những giả thiết và phương pháp đưa ra ở trên, ta xây dựng mô hình Matlab mô phỏng một hệ nghịch lưu cầu ba pha điều khiển động cơ từ thư viện SimPowerSystem (Hình 5). Trình tự phát xung được thực hiện đúng như thuật toán trình bày ở mục III.

Hình 5. Mô hình mô phỏng nghịch lưu cầu ba pha nguồn áp
Hình 6. Tốc độ góc và dòng phần ứng động cơ khi
f = fđm = 50Hz
Hình 7. Tốc độ góc và dòng phần ứng động cơ khi

Hình 8. Tốc độ góc và dòng phần ứng động cơ khi

Bài toán mô phỏng áp dụng cho một ĐCKĐB ba pha có thông số như sau:

Công suất P = 15(KW).
Điện áp định mứcU = 400 (V).
Tần số  f = 50 (Hz).
Tốc độ định mức ω=1460     (vòng/phút).
Tải đặt vào động cơ  Mc = 0,0028.ω2 (Nm).
Xét hệ trong ba trường hợp tần số khác nhau theo nguyên tắc U/f2 = const. Trong mô hình này, chọn n=12.
Từ mô hình này, điều khiển băm xung áp với các trường hợp tần số khác nhau gồm các giá trị f = fđm,


ta có các kết quả về tốc độ động cơ và dòng điện phần ứng như các hình 6, hình 7, hình 8.
Quan sát các hình 6, hình 7, hình 8 có thể thấy rằng khi tần số nguồn cấp cho động cơ giảm thì tốc độ giảm, kéo theo đó dòng phần ứng cũng giảm. Thêm vào đó, việc giảm điện áp phần ứng U một cách chủ động theo nguyên tắc U/f2 = const dẫn đến năng lượng mà động cơ tiêu thụ cũng giảm theo.
V. Kết luận:
Kết quả mô phỏng Matlab cho thấy rằng đặc tính của dòng điện chạy trong phần ứng của động cơ đo được có dạng rất gần với hình sin. Năng lượng mà động cơ tiêu thụ giảm khi động cơ làm việc ở tốc độ dưới định mức. Đây sẽ là cơ sở lý thuyết để ứng dụng vi điều khiển vào thực hiện bài toán điều khiển nghịch lưu, vấn đề đặt ra là tham số n bằng bao nhiêu cho phù hợp. Từ đó xây dựng bộ điều khiển VFD trong các bài toán tiết kiệm năng lượng. Vấn đề này sẽ được trình bày ở bài báo tiếp theo.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]  PGS. TS. Bùi Đình Tiếu, Giáo trình truyền động điện, NXB Giáo dục, 2004.
[2]  PGS. TS. Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB Giáo dục, 1998.
[3] R.Parekh, AC Induction Motor Fundamentals (DS00887), Microchip Technology Inc., 2003.
[4]  R.Parekh, VF Control of 3-Phase Induction Motors Using PIC16F7X7 Microcontrollers (DS00889), Microchip Technology Inc., 2004.

Số 108 (9/2009)♦Tự động hóa ngày nay


Tin mới hơn:
Tin cũ hơn:

 

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết




 



 

 

Mới cập nhật