Điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ ba pha cấp nguồn bằng bộ biến tần đa bậc với kỹ thuật một trạng thái và kỹ thuật sóng mang cổ điển triệt tiêu điện áp common mode của biến tần

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
VÕ THANH TƯỜNG

ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA CẤP NGUỒN BẰNG BỘ
BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI KỸ THUẬT MỘT TRẠNG THÁI
VÀ KỸ THUẬT SÓNG MANG CỔ ĐIỂN TRIỆT TIÊU
ĐIỆN ÁP COMMON MODE CỦA BIẾN TẦN
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 605270

S KC 0 0 3 5 9 9

Tp. Hồ Chí Minh, 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI
HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ
CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
VÕ THANH TƢỜNG

ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG TRƢỜNG ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ BA PHA CẤP NGUỒN BẰNG BỘ BIẾN TẦN ĐA
BẬC VỚI KỸ THUẬT MỘT TRẠNG THÁI VÀ KỸ THUẬT
SÓNG MANG CỔ ĐIỂN TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON
MODE CỦA BIẾN TẦN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 605270

Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 08/2012


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Võ Thanh Tƣờng

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 13/01/1979

Nơi sinh: Tiền Giang

Quê quán: Tiền Giang

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 36 đƣờng 06, khu phố 5, phƣờng Trƣờng Thọ, quận
Thủ Đức, thành phố Hồ Chí Minh.
Điện thoại cơ quan: 08.38960727

Điện thoại nhà riêng: 0908486872

E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính qui

Thời gian đào tạo từ 9/1997 đến 2/2002

Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, tại Thành
phố Hồ Chí Minh
Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử
Tên đồ án tốt nghiệp:
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH GIAO TIẾP GIỮA KÍT VÀ KÍT
Ngày & nơi bảo vệ đồ án: tháng 2 năm 2002, tại trƣờng Đại học Bách Khoa Thành phố
Hồ Chí Minh.
Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Võ Tấn Thông
2. Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ 2/ 2009 đến 2/2011
Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tại
Thành phố Hồ Chí Minh
Ngành học: Kỹ thuật điện tử
Tên luận văn: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG TRƢỜNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA
PHA CẤP NGUỒN BẰNG BỘ BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI KỸ THUẬT MỘT TRẠNG THÁI
VÀ KỸ THUẬT SÓNG MANG CỔ ĐIỂN TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON MODE

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 28/10/2012, tại Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ
Chí Minh.
Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS. NGUYỄN VĂN NHỜ


3. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Anh văn, trình độ B1 theo chuẩn
châu Âu.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
2/2002 –
12/2004

Công việc đảm nhiệm

Nơi công tác
-

Giám sát thi công điện

-

Kiểm tra dây chuyền

Công ty SGE Việt Nam

12/2004 đến

Công ty cổ phần sữa VIỆT NAM

nay

VINAMILK

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN
(Ký tên, đóng dấu)

sản xuất

Ngày 2 tháng 11 năm 2012
Ngƣời khai ký tên


Luận văn tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

TP. Hồ Chí Minh, ngày30 tháng 08 năm 2012
Ngƣời viết

Võ Thanh Tường

i


Luận văn tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng, nay tôi đã hoàn thành đề
tài tốt nghiệp cao học của mình. Để có đƣợc thành quả này, tôi đã nhận đƣợc rất
nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ thầy cô, gia đình, đơn vị chủ quản và bạn bè.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy PGS.TS
Nguyễn Văn Nhờ. Ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, cung cấp những tài liệu quan
trọng, định hƣớng và sửa chữa những thiếu sót trong suốt quá trình nghiên cứu để
hoàn thành luận văn này.
Trong thời gian tham gia học tập và nghiên cứu tại Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm
Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh, tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ của quý Thầy
Cô, Phòng Đào tạo sau Đại học của trƣờng đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể
hoàn thành khoá học của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong Khoa Điện Trƣờng Đại học Sƣ
Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh và quý Thầy, Cô Trƣờng Đại học Bách Khoa
TP.Hồ Chí Minh đã tận tình dạy học trong suốt quá trình học tập tại trƣờng.
Tôi xin cảm ơn những lời thăm hỏi, sự giúp đỡ và động viên nhiệt tình của các
anh chị học viên trong lớp cao học ngành Kỹ thuật điện tử và nhất là gia đình đã tạo
điều kiện thuận lợi cho tôi học tập tốt.
Xin chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện

Võ Thanh Tường

ii


Luận văn tốt nghiệp

TÓM TẮT
Luận văn này trình bày phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC)
với kỹ thuật PWM 1 trạng thái có triệt tiêu điện áp common mode của biến tần 11
bậc NPC điều khiển động cơ không đồng bộ . Dựa vào các trạng thái đóng ngắt
của bộ nghịch lƣu NPC 11 bậc để xác định điện áp CM bằng không. Phƣơng pháp
CPWM này đã triệt tiêu điện áp CM và điều khiển đáp ứng tốc độ nhanh . Ngoài ra
còn có đƣa ra phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC) với kỹ thuật sóng
mang PWM cổ điển có triệt tiêu điện áp common mode của biến tần 11 bậc NPC
để đánh giá kết quả thu đƣơc .Tất cả các kết quả mô phỏng trong luận văn thực hiện
trên phần mềm Matlab/Simulink.

ABSTRACT
This thesis presents a method of Field Oriented Control(FOC) with a Novel SingleState PWM Technique for Common-Mode Voltage Elimination in eleven-level
Neutral Point Clamped (NPC) inverter controlled induction motor based on the
proposed switching the states of the eleven-level NPC inverter. The proposed
technique has shown that the CM voltage is eliminated the torque response of the
motor is fast. Besides,

this thesis also

presents a method of Field Oriented

Control(FOC) with carrier PWM method for Common-Mode Voltage Elimination

in eleven-level Neutral Point Clamped (NPC) inverter controlled induction motor to
evaluate the proposed technique. All of the simulative results are performed by
Matlab/Simulink.

iii
iii
iii


Luận văn tốt nghiệp

MỤC LỤC
Trang tựa

Trang

LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ii
TÓM TẮT .............................................................................................................iii
MỤC LỤC............................................................................................................. iv
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT.................................................................vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH ................................................................................... ix
DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................ xiv
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ...................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề...................................................................................................... 1
1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................ 4
1.3 Đối tƣợng và mục đích đề tài ......................................................................... 5
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài ......................................................... 5
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................ 6
Chƣơng 2. CÁC BỘ NGHỊCH LƢU ÁP ĐA BẬC VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN ........................................................................................................ 7

2.1 Cấu trúc bộ nghịch lƣu áp .............................................................................. 7
2.1.1 Bộ nghịch lƣu đa bậc chứa cặp đi-ốt kẹp NPC ........................................ 7
2.1.2 Bộ nghịch lƣu đa bậc dạng tụ thay đổi..................................................... 9
2.1.3 Bộ nghịch lƣu đa bậc Cascade............................................................... 10
2.2 Các phƣơng pháp điều khiển bộ nghịch lƣu đa bậc....................................... 12
2.2.1 Kỹ thuật điều chế sóng mang CPWM.................................................... 14
2.2.1.1 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung sin ......................................... 15
2.2.1.2 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung cải biến SFO-PWM ............... 17
2.2.1.3 Các dạng sóng mang trong kỹ thuật điều chế PWM........................ 19
2.2.1.4 Nhận xét......................................................................................... 21
2.2.2 Phƣơng pháp điều chế véc-tơ không gian .............................................. 21
2.2.2.1 Khái niệm véc-tơ không gian ......................................................... 21
2.2.2.2 Véc-tơ không gian của bộ nghịch lƣu áp đa bậc............................. 22

iv
iv


Luận văn tốt nghiệp

2.2.3 Phƣơng pháp Carrier Base – SVPWM .................................................. 26
2.2.3.1 Khối tạo Hàm Offset ...................................................................... 26
2.2.3.2 Hàm Max, Mid, Min, Interger ........................................................ 26
2.2.3.3 Khối khoá thời gian k1, k2, k3 ......................................................... 27
2.2.3.4 Hàm offset tối ƣu ........................................................................... 28
2.2.3.5 Chọn Mode PWM .......................................................................... 28
2.2.3.6 Khối tạo tín hiệu tích cực ............................................................... 29
2.2.3.7 Điều chế dƣới mở rộng................................................................... 29
2.2.3.8 Điều chế ngoài mở rộng ................................................................. 30
2.3 Phân tích bộ nghịch lƣu ba pha..................................................................... 32

2.4 Kỹ thuật điều khiển cho bộ nghịch lƣu áp ba pha 11 bậc .............................. 34
Chƣơng 3. CÁC VẤN ĐỀ VÀ PHƢƠNG PHÁP TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP
COMMON MODE CHO BIẾN TẦN ĐA BẬC ................................................. 36
3.1 Vấn đề điện áp CM ...................................................................................... 36
3.2 Kỹ thuật PWM 1 trạng thái và triệt tiêu điện áp common mode của biến tần37
3.3 Kỹ thuật PWM cổ điển và triệt tiêu điện áp common mode của biến tần ...... 42
3.4 Mô phỏng tổng quát trong Matlab/Simulink các phƣơng pháp..........................47
3.4.1 Mô phỏng phƣơng pháp 1(1 trạng thái) trong Matlab/simulink ......... 47
3.4.2 Mô phỏng phƣơng pháp 2(PWM cổ điển) trong Matlab/simulink...... 54
3.4.3 Nhận xét............................................................................................ 57
Chƣơng 4. ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG TRƢỜNG(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 ........... 58
4.1 Giới thiệu phƣơng pháp điều khiển FOC ...................................................... 58
4.1.1Các phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng từ thông Rotor............58
4.1.2 Biểu diễn véc-tơ không gian trong hệ tọa độ từ thông Rotor..................59
4.1.3 Thuật toán và cấu trúc phƣơng pháp FOC...............................................61
4.1.4 Bộ điều khiển PID...................................................................................64
4.2 Mô hình trạng thái động cơ động cơ không đồng bộ..................................... 66

v
v


Luận văn tốt nghiệp

4.2.1 Xây dựng véc-tơ không gian ................................................................. 67
4.2.2 Hệ trục tọa độ quay ............................................................................... 69
4.2.3 Các phƣơng trình của động cơ không đồng bộ ba pha ........................... 71
4.2.4 Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ stato ............ 73

4.2.5 Xây dựng mô hình ĐCKĐB trên hệ từ thông roto ................................. 75
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...................................................................................... 76
4.4 Mô phỏng điều khiển FOC với kỹ thuật PWM cổ điển và triệt tiêu điện áp
CM của biến tần 11 bậc...................................................................................... 87
4.5 Nhận xét...................................................................................................... 92
Chƣơng 5. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ........................................ 94
5.1 Đánh giá kết quả đạt đƣợc ............................................................................ 94
5.2 Những vấn đề tồn tại của đề tài .................................................................... 94
5.3 Hƣớng phát triển của đề tài .......................................................................... 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 95
PHỤ LỤC............................................................................................................. 97
A.Phƣơng pháp 1................................................................................................... 97
B.Phƣơng pháp 2 ................................................................................................. 101
C.Các giá trị khai báo mô phỏng.......................................................................... 103

vi
vi


Luận văn tốt nghiệp

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CM

Common Mode (Kiểu chung)

MI

Multilevel Inverter (Bộ nghịch lƣu đa bậc)

EMI

Electromagnetic Interference (Nhiễu điện từ)

NPC

Neutral Point Clamped Multilevel Inverter (Bộ nghịch lƣu đa bậc kiểu
đi-ốt kẹp)

FOC

Field Oriented Control (Phƣơng pháp điều khiển từ thông tựa theo từ
thông roto)

DTC DC

Direct Torque Control (Điều khiển trực tiếp mommen)

SVPWM

Direct Current (Dòng điện một chiều)

(SVM)

Space Vector Pulse Width Modulation (Điều chế độ rộng xung véc-tơ

PWM

không gian)

VSI

Pulse Width Modulation (Điều chế độ rộng xung)

CSI

Voltage Source Inverter (Bộ nghịch lƣu áp)

SVC

Current Source Inverter (Bộ nghịch lƣu dòng)

IGBT

Static Var Compensation (Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh)

BNL

Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor có cực cổng cách ly)

SFO

Bộ Nghịch Lƣu
Switching Frequency Optimum (Kỹ thuật điều rộng xung đóng ngắt tối

THD

ƣu)

CPWM

Total Harmonic Distortion (Tổng méo dạng sóng hài )
Carrier Based Pulse Width Modulation (Kỹ thuật Sóng mang điều chế

PD

độ rộng xung)

APOD

Phase Dispostion (Các sóng mang bố trí cùng pha)
Alternative Phase Opposition Disposition (Hai sóng mang kế tiếp nhau
dịch 1800)

vii


Luận văn tốt nghiệp

POD

Phase Opposition Disposition (Các sóng mang bố trí đối xứng qua trục
chuẩn)

IM

Induction Motor (Động cơ không đồng bộ)

FFT

Fast Fourier Transform (Phân tích nhanh chuỗi Fourier)

MRAS

Model Reference Adaptive Systems (Mô hình điều khiển thích nghi)

viii
viii
viii


Luận văn tốt nghiệp

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1. Bộ nghịch lƣu NPC ba pha sáu bậc.......................................................... 8
Hình 2.2. Cấu trúc BNL dùng tụ kẹp..................................................................... 10
Hình 2.3. Cấu trúc BNL Cascade .......................................................................... 12
Hình 2.4.Nguyên lý kỹ thuật CPWM.......................................................................14
Hình 2.5. Kỹ thuật CPWM nhiều sóng mang chuẩn và điện áp dây của BNL 11 bậc
cascade .................................................................................................................. 15
Hình 2.6. Mối liên hệ giữa m và m a....................................................................... 17
Hình 2.7. Điện áp điều khiển SFO pha A .............................................................. 18
Hình 2.8. Điện áp offset ........................................................................................ 18
Hình 2.9. Sóng điện áp cực đại ............................................................................. 19
Hình 2.10. Sóng điện áp cực tiểu .......................................................................... 19
Hình 2.11. Sóng mang dạng PD ............................................................................ 20
Hình 2.12. Sóng mang dạng APOD ...................................................................... 20
Hình 2.13. Sóng mang dạng POD ......................................................................... 21


Hình 2.14. Hình chiếu của véc-tơ v lên ba trục tọa độ.......................................... 22
Hình 2.15. Giản đồ véc-tơ điện áp bộ nghịch lƣu áp ba bậc.................................. 24
Hình 2.17. Giải thuật chính của phƣơng pháp Sóng Điều Chế............................... 26
Hình 2.18. a) Sơ đồ tạo tín hiệu sin chủ đạo vùng quá điều chế m = mmid .............. 31
b) Giải thuật điều chế 2 Mode................................................................................ 31
Hình 2.19. a) Sơ đồ nguyên lý nghịch lƣu áp ba pha ............................................. 31
b) Mô hình tƣơng đƣơng tức thời........................................................................... 32
c) Mô hình tƣơng đƣơng trung bình ....................................................................... 32
d) Sơ đồ xung điều khiển các khóa Sa, Sb, Sc ......................................................... 32
Hình 2.20. Mô hình tải ba pha đối xứng, đấu sao .................................................. 33
Hình 2.21. Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng quan hệ áp tải và áp nghịch lƣu ................... 34

ix
ix


Luận văn tốt nghiệp

a) Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng áp tức thời ................................................................. 34
b) Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng áp trung bình ............................................................. 34
Hình 2.22. Sơ đồ nguyên lý nghịch lƣu áp ba pha 11 bậc NPC.............................. 35
Hình 3.1. Dạng sóng điện áp CM .......................................................................... 36
Hình 3.2. Sơ đồ cấu tạo động cơ đo điện áp trục động cơ và đo dòng rò ổ bi......... 37
Hình 3.3. Giá đỡ ổ bi hỏng do ảnh hƣởng điện áp CM .......................................... 37
Hình 3.4. Bộ biến đổi 3 cấp................................................................................... 38
. a) Giản đồ các trạng thái véc-tơ và giới hạn của ZCM ......................................... 43
.b) giãn đồ vecto chia thành 7 vùng ứng với 7 vecto điện áp ZCM ........................ 43
Hình 3.5. Phƣơng pháp sóng mang PD PWM đối với biến tần đa bậc:
(a) giãn đồ thời gian chuyển đổi;
(b) Giãn đồ thời gian chuyển đổi và dãy trạng thái chuyển đổi dƣới điều kiện ...... 41

Hình 3.6. Thuật toán PWM 1 trạng thái với điện áp ZCM X=A, B, C ................... 41
Hình 3.7. Sơ đồ tổng quát bộ nghịch lƣu ba bậc NPC ........................................... 42
Hình 3.8. a) Giản đồ các trạng thái véc-tơ điện áp nghịch lƣu 3 bậc
b) Giản đồ các trạng thái véc-tơ điện áp nghịch lƣu 3 bậc ZCM............ 43
Hình 3.9. Giản đồ chuyển trạng thái (111, 201, 210) ............................................. 44
Hình 3.10. Dạng sóng điện áp pha x+ và x- ............................................................ 45
Hình 3.11. Sơ đồ trạng thái đóng ngắt dạng sóng PS............................................. 46
Hình 3.12. Sơ đồ mô phỏng tổng quát phƣơng pháp 1 trạng thái ......................... 47
Hình 3.13. Sơ đồ khối tạo nguồn 3 pha ................................................................. 48
Hình 3.14. khối xử lý 1 trang thái và triệt tiêu áp common mode .......................... 48
Hình 3.15. Sơ đồ bộ nghịch lƣu 11 bậc NPC ......................................................... 49
Hình 3.16. Dạng sóng thử giải thuật...................................................................... 50
Hình 3.17. Dạng sóng sau khi công offset ............................................................. 50
Hình 3.18a. Điện áp nghịch lƣu 3 pha................................................................... 51
Hình 3.18b. Điện áp nghịch lƣu pha a.................................................................. 51
Hình 3.19. Điện áp CM đã triệt tiêu uN0’ ............................................................... 52
Hình 3.20. Phân tích FFT và THD điệp áp tảiUta’ ................................................. 52
Hình 3.21. Phân tích FFT và THD điệp áp dây uab ................................................ 53

x
x


Luận văn tốt nghiệp

Hình 3.22. Phân tích FFT và THD áp nghịch lƣu Uao ........................................... 53
Hình 3.23. Sơ đồ mô phỏng tổng quát phƣơng pháp PWM cổ điển ..................... 54
Hình 3.24. khối xử lý phƣơng pháp PWM cổ điển và triệt tiêu áp common mode
.............................................................................................................................. 54
Hình 3.25. Dạng sóng thử giải thuật pp PWM cổ điển .......................................... 55

Hình 3.26. Dạng sóng sau khi cộng offset ............................................................. 55
Hình 3.27a. Điện áp nghịch lƣu 3 pha................................................................... 56
Hình 3.27b. Điện áp nghịch lƣu pha a.................................................................. 56
Hình 3.28. Điện áp CM đã triệt tiêu uN0’ ............................................................... 57
Hình 4.1. Vector dòng is trong không gian với các thành phần a, b, c.................... 67
Hình 4.2. Dòng điện stator is trong hệ (a, b, c) và (  ,  ). .................................... 60
Hình 4.3. Dòng điện stator is trong hệ (  ,  ) và (d, q). ........................................ 60
Hình 4.4. Cấu trúc cơ bản của phƣơng pháp FOC. ................................................ 61
Hình 4.5. Dòng điện, điện áp và từ thông rotor trên hệ tọa độ (d,q). ...................... 63
Hình 4.6. .Cấu trúc bộ điều khiển PID .................................................................. 64
Hình 4.7. Hệ thống điều khiển vòng kín................................................................ 65
Hình 4.8. Sơ đồ cuộn dây và dòng điện stato của động cơ không đồng bộ............. 67
Hình 4.9. Thiết lập véc-tơ không gian từ các đại lƣợng pha ................................. 68

Hình 4.10. Véc-tơ không gian điện áp stato u s tƣơng quan giữa hệ tọa độ  và tọa
độ ba pha a, b, c..................................................................................................... 69

Hình 4.11. Chuyển hệ tọa độ cho véc-tơ không gian u s từ hệ tọa độ αβ sang hệ tọa
độ dq và ngƣợc lại ................................................................................................. 70
Hình 4.12. Mô hình đơn giản động cơ không đồng bộ ba pha .............................. 71
Hình 4.13. Giản đồ véc-tơ từ thông stato và véc-tơ từ thông roto........................... 76
Hình 4.14. Mô hình mô phỏng FOC – CPWM 1 trạng thái bộ nghịch lƣu 11 bậc
NPC ZCM ............................................................................................................. 77
Hình 4.15. Từ thông đặt ........................................................................................ 77
Hình 4.16. Tốc độ đặt ........................................................................................... 78

xi
xi

Luận văn tốt nghiệp

Hình 4.17. Sơ đồ khối MTi .................................................................................. 78
Hình 4.18. Sơ đồ khối CTDu ................................................................................ 78
Hình 4.19. Sơ đồ khối single step and CMZ.......................................................... 79
Hình 4.20. Sơ đồ khối CTDu1 .............................................................................. 79
Hình 4.21. Sơ đồ khối CTDu2 .............................................................................. 80
Hình 4.22. Sơ đồ khối MTu .................................................................................. 80
Hình 4.23. Sơ đồ khối ĐCKĐB............................................................................. 81
Hình 4.24. Sơ đồ khối HTD-CD ........................................................................... 81
Hình 4.25. Sơ đồ khối biến tần.............................................................................. 82
Hình 4.26. Đáp ứng từ thông stato ƣớc lƣợng ....................................................... 82
Hình 4.27. Sai số đáp ứng từ thông stato ƣớc lƣợng ............................................. 82
Hình 4.28. Đáp ứng tốc độ động cơ....................................................................... 83
Hình 4.29.Đáp ứng từ thông,moment,tốc độ động cơ ............................................ 83
Hình 4.30. Điện áp nghịch lƣu 3 pha..................................................................... 84
Hình 4.31. Điện áp nghịch lƣu pha a ..................................................................... 84
Hình 4.32. Điện áp tải 3 pha ................................................................................. 85
Hình 4.33. Điện áp tải pha a.................................................................................. 85
Hình 4.34. Điện áp dây 3 pha................................................................................ 86
Hình 4.35. Điện áp dây pha a ................................................................................ 86
Hình 4.36. Điện áp common mode đã bị triệt tiêu ................................................. 87
Hình 4.37. Khối CMZ với kỹ thuật PWM cổ điển ................................................. 87
Hình 4.38. Đáp ứng từ thông stato ƣớc lƣợng ....................................................... 87
Hình 4.39. Sai số đáp ứng từ thông stato ƣớc lƣợng ............................................. 88
Hình 4.40. Đáp ứng tốc độ động cơ....................................................................... 88
Hình 4.41.Đáp ứng từ thông,moment,tốc độ động cơ ............................................ 88
Hình 4.42. Điện áp nghịch lƣu 3 pha..................................................................... 89
Hình 4.43. Điện áp nghịch lƣu pha a ..................................................................... 89
Hình 4.44. Điện áp tải 3 pha ................................................................................. 90

Hình 4.45. Điện áp tải pha a.................................................................................. 90

xii


Luận văn tốt nghiệp

Hình 4.46. Điện áp dây 3 pha................................................................................ 91
Hình 4.47. Điện áp dây pha a ................................................................................ 91
Hình 4.48. Điện áp common mode đã bị triệt tiêu ................................................. 92
Hình 4.49. Đáp ứng từ thông,tốc độ, moment và dòng khi đóng tải…………...93

xiii
xiii
xiii


Luận văn tốt nghiệp

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Trạng thái đóng ngắt của BNL ba pha sáu bậc NPC ................................ 9
Bảng 3.1. Dãy trạng thái biến đổi .......................................................................... 39
Bảng 3.2. Vec tơ điện áp ngõ ra CMZ trong phƣơng pháp PWM 1 trạng thái........ 40
Bảng 3.3. Phân tích chuỗi trạng thái trong vùng tam giác (111, 201, 210) ............ 44
Bảng 3.4. T Trạng thái các séc-tơ trong giản đồ véc-tơ không gian hình 3.5.......... 45

xiv
xiv
xiv

Chương 1. Tổng quan

Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, các bộ nghịch lƣu hai bậc đƣợc sử dụng rộng rãi
trong lĩnh vực công nghiệp và dân dụng. Bên cạnh các ƣu điểm đạt đƣợc, các bộ
nghịch lƣu hai bậc còn có những hạn chế nhƣ chất lƣợng điện áp ra không cao và
giới hạn ở phạm vi ứng dụng công suất nhỏ. Chính vì vậy, các bộ nghịch lƣu đa bậc
MI (Multilevel Inverter) đã đƣợc nghiên cứu và phát triển. Các bộ nghịch lƣu đa
bậc không chỉ đƣợc sử dụng trong truyền động điện công suất lớn, các bộ lọc tích
cực mà còn đƣợc sử dụng trong các hệ thống nguồn năng lƣợng mới nhƣ năng
lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió, fuel cell,... So với bộ nghịch lƣu hai bậc truyền
thống, các bộ nghịch lƣu đa bậc có các ƣu điểm nhƣ có thể hoạt động ở tần số đóng
ngắt cao, công suất lớn, điện áp ra ít bị biến dạng, điện áp đặt trên từng linh kiện
giảm và ít gây ra nhiễu điện từ EMI (Electromagnetic Interference).
Từ khi Nabae, Takahashi và Akagi giới thiệu bộ nghịch lƣu đa bậc NPC
(Neutral Point Clamped Multilevel Inverter) vào năm 1981. Đến nay đã có nhiều
dạng cấu trúc của bộ nghịch lƣu đa bậc đƣợc nghiên cứu và phát triển. Các dạng cấu
trúc cơ bản thƣờng gặp là dạng Cascade H-Bridge Inverter với nguồn một chiều
riêng, dạng đi-ốt kẹp (Diode Clamped Multilevel Inverter), dạng tụ kẹp (Capacitor
Clamped) và cấu trúc lai (Hybrid Multilevel Inverter).Trong đó cấu hình NPC là
cấu hình đƣợc sử dụng phổ biến nhất.
Trong các ứng dụng truyền động điện, các bộ nghịch lƣu hai bậc truyền thống
và các bộ nghịch lƣu đa bậc đều gặp phải hạn chế là xuất hiện điện áp common
mode (CM) giữa hai điểm trung tính tải và trung tính nguồn. Điện áp CM làm xuất
hiện dòng điện rò chạy trên các trục của động cơ. Dòng điện này sẽ làm nóng các
trục động cơ, làm cho các ổ bi bị bào mòn dẫn đến việc giảm tuổi thọ và gây ra

nhiễu điện từ EMI [4-7].Có nhiều phƣơng pháp để giảm ảnh hƣởng của điện áp CM

1


Chương 1. Tổng quan

đã đƣợc nghiên cứu và công bố nhƣ phƣơng pháp dùng mạch lọc thụ động RC,
RLC mắc song song với tải do Von Jouanne đề nghị năm 1996; phƣơng pháp thay
đổi cấu trúc của bộ nghịch lƣu bằng cách tăng số nhánh của bộ nghịch lƣu. Bộ
nghịch lƣu áp ba pha bốn nhánh đƣợc Oriti giới thiệu vào năm 1997 và Julian năm
1999. Trong đó, ba nhánh sẽ đƣợc điều khiển bình thƣờng, nhánh thứ tƣ đƣợc điều
khiển để giảm điện áp CM. Năm 1999, Von Jouanne and Zhang giới thiệu cấu trúc
Dual Bridge Inverter (DBI). Các phƣơng pháp vừa trình bày đƣợc sử dụng trong các
bộ nghịch lƣu hai bậc truyền thống với các ƣu điểm là giảm đƣợc điện áp CM, dòng
rò, hiệu suất cao. Tuy nhiên, các phƣơng pháp trên có các khuyết điểm là phải thêm
các phần cứng làm cho bộ nghịch lƣu trở nên cồng kềnh, chi phí đắt. Năm 1998,
Ratnayake and Murai, Haoran Zhang, Annette Von Jouance, Shaoan Dai giới thiệu
phƣơng pháp điều khiển cho bộ nghịch lƣu áp ba bậc NPC trong đó chỉ sử dụng các
trạng thái mà tại đó điện áp CM là zero để triệt tiêu điện áp CM. Ƣu điểm của
phƣơng pháp này là có thể giảm hoặc triệt tiêu điện áp CM bằng giải thuật điều
khiển mà không cần bổ sung hoặc thay đổi cấu trúc bộ nghịch lƣu. Phƣơng pháp
này có thể áp dụng cho các bộ nghịch lƣu đa bậc vì trong cấu này tồn tại các trạng
thái sao cho điện áp CM là zero.
Phƣơng pháp triệt tiêu điện áp CM dung phƣơng pháp 1 trạng thái và nhiều
trạng thái cho bộ nghịch lƣu đa bậc đƣợc tham khảo từ công trình nghiên cứu của
Nguyễn Văn Nhờ và Hong Hee Lee “Analysis of Carrier PWM Method for
Common Mode Elimiation in Multilevel Inverter ” [8-9]. Dựa trên công trình đó,
trong luận văn này tác giả trình bày phƣơng pháp triệt tiêu CM cho biến tần đa bậc
NPC cấp nguồn cho động cơ không đồng bộ.

Chính vì những lý do trên, trong luận văn trình bày phƣơng pháp điều khiển
động cơ không đồng bộ cấp nguồn bằng bộ biến tần với kỹ thuật triệt tiêu CM.
Trong lĩnh vực điều khiển động cơ, động cơ không đồng bộ dễ chế tạo, giá
thành rẻ nhƣng điều khiển chính xác tốc độ động cơ không đồng bộ rất khó khăn.
Nhờ sự phát triển của vi xử lý nên việc áp dụng các phƣơng pháp điều khiển phức
tạp vào điều khiển động cơ không đồng bộ ngày càng trở nên dễ dàng hơn.

2


Chương 1. Tổng quan

Có rất nhiều phƣơng pháp điều khiển động cơ không đồng bộ. Tuy nhiên, vấn
đề đặt ra cho hệ truyền đồng điện điều khiển động cơ xác lập nhanh và quá độ trong
khoảng thời gian cho phép. Có các phƣơng pháp điều khiển sau:
 Phƣơng pháp điều khiển U/f.
 Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC).
 Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC).
 Phƣơng pháp U/f: là phƣơng pháp điều khiển đơn giản và phổ biến trong
phần lớn các ứng dụng trong công nghiệp. Điểm đặc biệt của phƣơng pháp này là
mối quan hệ giữa điện áp và tần số là một hằng số. Cấu trúc của mạch thì đơn giản
và thƣờng sử dụng dạng không có phản hồi tốc độ. Tuy nhiên, phƣơng pháp điều
khiển này có đáp ứng tốc độ và momen độ chính xác không cao.
 Phƣơng pháp FOC: là kỹ thuật đƣợc sử dụng phổ biến với hiệu suất cao
trong việc điều khiển động cơ vì từ thông và moment có thể đƣợc điều
khiển độc lập. FOC là phƣơng pháp điều khiển dòng stator chủ yếu dựa vào
biên độ và góc pha và đặc trƣng là các vector. Điều khiển này cơ bản dựa
vào sự tham chiếu về thời gian và tốc độ trên hệ trục d – q, đây là hệ trục
bất biến. Sự tham chiếu này nhằm mục đích để hƣớng việc khảo sát động
cơ KĐB thành việc khảo sát của động cơ DC.

 Phƣơng pháp DTC: từ thông và momen điện từ đƣợc điều khiển trực
tiếp và độc lập bằng cách chọn chế độ chuyển mạch tối ƣu cho bộ nghịch lƣu nguồn
áp dựa trên sai biệt giữa giá trị đặt và giá trị ƣớc lƣợng từ các khâu tính toán hồi
tiếp về của momen và từ thông. Mặt khác, ta có thể điều khiển trực tiếp trạng thái
của bộ nghịch lƣu PWM thông qua các tín hiệu điều khiền đóng ngắt các khóa công
suất nhằm mục đích giảm sai số momen và từ thông trong phạm vi cho phép đƣợc
xác định trƣớc.
Trong các phƣơng pháp thì phƣơng pháp điều khiển FOC có nhiều ƣu điểm so
với các phƣơng pháp khác nhƣ:
 Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng từ thông FOC đƣợc sử dụng phổ biến
và có hiệu quả với khả năng điều khiển tách biệt hai thành phần từ thông và

3


S

K

L

0

0

2

1

5

4