điều khiển tốc độ hệ động cơ không đồng bộ biến tần đa bậc npc dùng phương pháp dtc

Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học ........................................................................................................... i
Lời cam đoan ...............................................................................................................ii
Cảm tạ ....................................................................................................................... iii
Tóm tắt ....................................................................................................................... iv
Mục lục ....................................................................................................................... vi
Danh sách các chữ viết tắt .......................................................................................... xi
Danh sách các hình.................................................................................................. xiii
Danh sách các bảng ................................................................................................... xx
Chương 1 TỔNG QUAN ..........................................................................................1
1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ...................................................................1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ..................4
1.3. Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu ..................................................4
1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài ....................................................5
1.4.1. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................5
1.4.2. Giới hạn đề tài ............................................................................................5
1.5. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................5
1.6. Kế hoạch thực hiện ...........................................................................................6
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................7
2.1. Bộ nghịch lưu áp đa bậc ...................................................................................7
2.2. Cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc ...................................................8
2.2.1. Cấu trúc Diode kẹp (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter) .............8

2.2.2. Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Floating Capacitor Multilevel Inverter) ..9
2.3. Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp .....................................................10
2.3.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM .............................................10
2.3.1.1. Các tiêu chí đánh giá bộ nghịch lưu áp ..............................................10
2.3.1.2. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM ...............................11

vi


Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

2.3.1.3. Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Subharmonic PWM) ........13
2.3.1.4. Phương pháp điều chế độ rộng xung sóng mang (carier base PWM)14
2.3.1.5. Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM) .......15
2.3.2. Phương pháp điều khiển SVPWM (Space Vector Pulse Width
Modulation) ........................................................................................................16
2.4. Mô phỏng bộ nghịch lưu (NL) áp 3 bậc NPC theo phương pháp carier base
PWM trên Matlab / Simulink ................................................................................18
2.5. Động cơ không đồng bộ ba pha ......................................................................24
2.5.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha ...........................................24
2.5.1.1 Giới thiệu ............................................................................................24
2.5.1.2. Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ .......................25
2.5.1.3. Các quan hệ công suất trong động cơ không đồng bộ .......................25
2.5.2 Vector không gian và các đại lượng 3 pha ................................................26
2.5.2.1. Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha .....................26
2.5.2.2. Hệ tọa độ cố định stator

......................................................28

2.5.2.3. Hệ tọa độ từ thông rotor (d – q) .........................................................29
2.5.3. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha ..................................................31
2.5.3.1. Thông số của động cơ không đồng bộ ...............................................31
2.5.3.2. Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha ..........31
2.5.3.3. Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ

.................33

2.5.3.4. Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ (d – q) ....................34
Chương 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ ................................................................................................36
3.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông (FOC - Field Orientated
Control) ..................................................................................................................39
3.3. Phương pháp điều khiển trực tiếp moment (DTC – Direct Torque Control) .42
Chương 4 ĐIỀU KHIỂN MOMEN TRỰC TIẾP (DTC) .........................................44
4.1 Sơ đồ DTC cổ điển [13] ...................................................................................44
4.2. Xây dựng mô hình DTC cải tiến.....................................................................50

vii


Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

4.2.1 Khối DTC & controller .............................................................................51
4.2.2. Khối điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM) ...................................58
4.2.3. Khối nghịch lưu áp 3 bậc NPC .................................................................62
Chương 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .......................................................................64

5.1. Các tham số ngõ vào .......................................................................................64
5.2. Tham số động cơ không đồng bộ 3 pha: .........................................................64
5.3. Thông số của khối DTC ..................................................................................64
5.4. Thông số của bộ nghịch lưu áp .......................................................................66
5.5. Kết quả mô phỏng:..........................................................................................66
5.5.1. Trường hợp 1 (TH 1): Tốc độ đặt thay đổi đột ngột (đáp ứng nấc). ........66
5.5.2. Trường hợp 2 (TH 2): Tốc độ đặt thay đổi từ từ (đáp ứng dốc) ..............68
5.6. Mô phỏng đối với phương pháp DTC cổ điển khi các tham số hệ thống không
thay đổi, tốc độ đặt tăng lên từ từ. .........................................................................70
5.7. Mô phỏng hệ thống với CPWM - DTC có tốc độ đặt thay đổi đột ngột, tham
số ngõ vào như sau: ...............................................................................................72
Chương 6 KẾT LUẬN ............................................................................................82
6.1. Kết quả đạt được của luận văn........................................................................82
6.2. Những vấn đề tồn tại và hướng phát triển của đề tài ......................................82
6.2.1. Những vấn đề còn tồn tại của đề tài .........................................................82
6.2.2. Hướng phát triển của đề tài ......................................................................83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................84
PHỤ LỤC .................................................................................................................86

viii


Luận văn Thạc sĩ

Danh sách các chữ viết tắt

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BJT

Bipolar Junction Transistor

MOSFET

Metal Oxide Simiconductor Field Effect Transistor

GTO

Gate Turn off Thyristor

IGCT

Integrated Gate Commutated Thyristor

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor

SCR

Sillicon Controllrd Rectifier

DTC

Direct Torque Control

CPWM

Carier base Pulse Width Modulation

DPWM

Discontinued Pulse Width Modulation

SVPWM

Space Vector Pulse Width Modulation

THD

Total Harmonic Distortion

FFT:

Fast Fourier Transform

NPC

Neutral Point Clamped

PD

Phase Disposition

POD

Phase Opposition Disposition

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor

PP

Phương pháp

đc

Động cơ

KĐB

Không đồng bộ

TH

Trường hợp

s

Hệ số trượt.

1

s

Pcul

Te

Toán tử tích phân.

Tổn hao dây quấn stator
Hằng số thời gian của momen điện từ.

p

Toán tử vi phân.

P

Số đôi cực.

ix


Luận văn Thạc sĩ

Danh sách các chữ viết tắt

Rr

Điện trở rotor.

Rs

Điện trở stator.

R r'

Điện trở roto trong sơ đồ thay thế

Ir

Dòng điện roto

 db

Tốc độ góc đồng bộ của từ trường quay.

s

Tốc độ góc của vector thuộc mạch điện stator

ω

Tốc độ góc cơ học của roto

n db

Tốc độ quay đồng bộ

Lm

Cảm kháng từ hoá của ba pha.

Lr

Tổng cảm kháng của ba pha rotor.

Ls

Tổng cảm kháng của 3 pha stator.

 rs '

Bằng

 rs
Lm

 /

Các thành phần hoành và tung trên hệ toạ độ gắn với rotor.

d /q

Các thành phần hoành và tung rotor trên hệ toạ độ gắn với stator.

D/Q

Các thành phần hoành và tung stator trên hệ toạ độ gắn với rotor.

is:

Dòng điện stator tức thời

us:

Điện áp stator tức thời

wr:

Tốc độ rotor đo được

Te:

Momen điện từ

φ (flux):

Từ thông rotor

usd, usq:

Điện áp stator trên hệ tọa độ dq

isd, isq:

Dòng điện stator trên hệ tọa độ dq

φsd, φsq:

Từ thông stator trên hệ tọa độ dq

Va, Vb, Vc:

Vector điện áp pha a, b, c trên hệ tọa độ abc

i sa, i sb, i sc:

Vector dòng điện stator pha a, b, c trên hệ tọa độ abc

V sd, Vsq:

Vector điện áp stator trên hệ tọa độ dq

Vsabc

Vector điện áp stator trên hệ tọc độ abc

x


Luận văn Thạc sĩ

Danh sách các hình

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2. 1: Bộ nghịch lưu áp ba bậc NPC ....................................................................9
Hình 2. 2: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng tụ điện thay đổi ........................................10
Hình 2. 3: Dạng sóng mang APOD...........................................................................11
Hình 2. 4: Dạng sóng mang POD .............................................................................12
Hình 2. 5: Dạng sóng mang PD ................................................................................12
Hình 2. 6: Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển .............................14
Hình 2. 7: Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển .............................16
Hình 2. 8: Biểu đồ vector không gian của bộ nghịch lưu 3 bậc ................................18
Hình 2. 9: Vùng điều khiển tuyến tính và biên độ điện áp hài cơ bản lớn nhất trong

phương pháp sin PWM và SVPWM .........................................................................18
Hình 2. 10: Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC trên Matlab /
Simulink ....................................................................................................................19
Hình 2. 11: Dạng dòng điện ra trên các pha tải ia, ib, ic – NL 3 bậc..........................20
Hình 2. 12: Dạng điện áp trên tải pha a – NL 3 bậc .................................................20
Hình 2. 13: Dạng điện áp trên tải pha b – NL 3 bậc .................................................21
Hình 2. 14: Dạng điện áp trên tải pha c – NL 3 bậc .................................................21
Hình 2. 15: Điện áp nghịch lưu pha a – NL 3 bậc ....................................................22
Hình 2. 16: Dòng điện tải trên pha a, b, c – NL 5 bậc ..............................................23
Hình 2. 17: Điện áp nghịch lưu pha a – NL 5 bậc ....................................................23
Hình 2. 18: Điện áp tải trên pha a – NL 5 bậc ..........................................................24
Hình 2. 19: Sơ đồ tương đương một pha động cơ không đồng bộ ..........................25
Hình 2. 20: Vị trí không gian các pha .......................................................................26
Hình 2. 21: Xây dựng vector không gian từ các đại lượng pha ................................27
Hình 2. 22: Hệ tọa độ stator (α - β) ...........................................................................28
Hình 2. 23: Mối liên hệ giữa tọa độ (α – β) và tọa độ (d-q) ......................................29
Hình 2. 24: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ (d – q)................................30

xi


Luận văn Thạc sĩ

Danh sách các hình

Hình 2. 25: Sơ đồ mạch điện tương đương động cơ không đồng bộ ........................32
Hình 3. 1: Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số .........................................38
Hình 3. 2: Sơ đồ khối phương pháp V/f vòng hở.....................................................38
Hình 3. 3: Biểu diễn vector iS trong không gian với các thành phần a, b, c ............40
Hình 3. 4: Dòng điện stator is trong hệ  a, b, c  và  ,   ........................................40

Hình 3. 5: Vector không gian của dòng stator trong hệ trục  ,   và  d , q  ..........41
Hình 3. 6: Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động cơ tựa từ thông rotor .................41
Hình 3. 7: Sơ đồ khối DTC cổ điển (classic DTC) .................................................43
Hình 4. 1: Sơ đồ cấu trúc phương pháp DTC cổ điển ..............................................44
Hình 4. 2: Khâu hiệu chỉnh Flux và Torque .............................................................45
Hình 4. 3: Bộ nghịch lưu nguồn áp PWM ................................................................47
Hình 4. 4: Các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu nguồn áp.............................47
Hình 4. 5: Các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu nguồn áp.............................48
Hình 4. 6: Các Sector trong hệ tọa độ αβ ..................................................................48
Hình 4. 7: Vector từ thông stator trong sector 1 .......................................................49
Hình 4. 8: Sơ đồ khối hệ truyền động động cơ KĐB 3 pha dùng pp DTC ...............50
Hình 4. 9: Sơ đồ khối Khối DTC & cotroller ...........................................................51
Hình 4. 10: Sơ đồ nguyên lý khối speed controller...................................................51
Hình 4. 11: Sơ đồ mô phỏng khối speed controller ..................................................52
Hình 4. 12: Sơ đồ mô phỏng khối PI của Te* ...........................................................52
Hình 4. 13: Sơ đồ mô phỏng khối PI của Flux*........................................................52
Hình 4. 14: Sơ đồ mô phỏng khổi chuyển đổi hệ trục tọa độ dq sang abc ...............53
Hình 4. 15: Tham số của Va .....................................................................................54
Hình 4. 16: Tham số của Vb .....................................................................................54
Hình 4. 17: Sơ đồ mô phỏng khối ước lượng từ thông và momen ...........................55

xii


Luận văn Thạc sĩ

Danh sách các hình

Hình 4. 18: Sơ đồ mô phỏng khối chuyển đổi hệ trục tọa độ abc sang dq ...............55
Hình 4. 19: Tham số của v_q1 ..................................................................................56

Hình 4. 20: Tham số của v_d1 ..................................................................................56
Hình 4. 21: Sơ đồ mô phỏng khối tính momen và tư thông......................................57
Hình 4. 22: Sơ đồ mô phỏng khối đồng bộ ...............................................................57
Hình 4. 23: Sơ đồ mô phỏng tổng thể khối DTC & cotroller ...................................58
Hình 4. 24: Sơ đồ mô phỏng tổng thể khối DTC hoàn chỉnh ...................................58
Hình 4. 25: Sơ đồ khối bộ CPWM ............................................................................59
Hình 4. 26: Sơ đồ mô phỏng khối Voffset ................................................................59
Hình 4. 27: Sơ đồ mô phỏng khối Voffset1 ..............................................................60
Hình 4. 28: Sơ đồ mô phỏng khối so sánh ................................................................61
Hình 4. 29: Sơ đồ mô phỏng khối nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC ..........................62
Hình 4. 30: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha dùng phương
pháp CPWM - DTC ..................................................................................................63

Hình 5. 1: Sơ đồ thay thế...........................................................................................65
Hình 5. 2: Dòng điện stator – TH 1...........................................................................66
Hình 5. 3: Tốc độ rotor – TH 1 .................................................................................67
Hình 5. 4: Đáp ứng momen – TH 1 ..........................................................................67
Hình 5. 5: Đáp ứng từ thông stator – TH 1 ...............................................................68
Hình 5. 6: Dòng điện stator – TH 2...........................................................................68
Hình 5. 7: Tốc độ Rotor – TH 2 ................................................................................69
Hình 5. 8: Đáp ứng momen – TH 2 ..........................................................................69
Hình 5. 9: Đáp ứng từ thông khi tốc độ đặt có dạng dốc ..........................................70
Hình 5. 10: Dòng điện stator ở pp DTC cổ điển khi tốc độ đặt có dạng dốc ............70
Hình 5. 11: Tốc độ Rotor ở pp DTC cổ điển khi tốc độ đặt có dạng dốc .................71
Hình 5. 12: Đáp ứng momen ở pp DTC cổ điển khi tốc độ đặt có dạng dốc............71

xiii


Luận văn Thạc sĩ

Danh sách các hình

Hình 5. 13: Đáp ứng từ thông ở pp DTC cổ điển khi tốc độ đặt có dạng dốc ..........72
Hình 5. 14: Dòng điện stator khi tốc độ giảm ...........................................................72
Hình 5. 15: Tốc độ rotor ở trường hợp giảm.............................................................73
Hình 5. 16: Đáp ứng momen khi tốc độ giảm ...........................................................73
Hình 5. 17: Đáp ứng từ thông khi tốc độ giảm .........................................................74
Hình 5. 18: Dòng điện stator – TH a .........................................................................75
Hình 5. 19: Tốc độ rotor – TH a ...............................................................................76
Hình 5. 20: Đáp ứng momen – TH a.........................................................................76
Hình 5. 21: Đáp ứng từ thông - TH a ........................................................................77
Hình 5. 22: Dòng điện stator – TH b.........................................................................77
Hình 5. 23: Tốc độ rotor – TH b ...............................................................................78
Hình 5. 24: Đáp ứng momen – TH b ........................................................................78
Hình 5. 25: Đáp ứng từ thông – TH b .......................................................................79
Hình 5. 26: Dòng điện stator – TH c .........................................................................79
Hình 5. 27: Tốc độ rotor – TH c ...............................................................................80
Hình 5. 28: Đáp ứng momen – TH c.........................................................................80
Hình 5. 29: Đáp ứng từ thông – TH c .......................................................................81
Hình 1: Sơ đồ nghịch lưu áp 5 bậc pha a .................................................................86
Hình 2: Điện áp Vo trung bình .................................................................................86
Hình 3: Điện áp điều khiển pha a .............................................................................87
Hình 4: Tín hiệu xung kích cho các van bán dẫn pha c ...........................................87

xiv


Luận văn Thạc sĩ

Danh sách các hình

xv


Luận văn Thạc sĩ

Danh sách các bảng

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 1.1: Bảng so sánh giữa các phương pháp điều khiển ........................................ 2
Bảng 2.1: Các mức điện áp nghịch lưu ngõ ra và trạng thái chuyển mạch tương ứng
của pha a ...................................................................................................................... 9
Bảng 4.1: Bảng chuyển mạch tối ưu ........................................................................ 50
Bảng 5.1: Bảng so sánh dòng điện khởi động và tổng độ méo hài của dòng điện ... 74
Bảng 5.2: Bảng so sánh độ gợn từ thông stator và độ gợn momen .......................... 74

- xv -


Luận văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Với đề tài Điều khiển tốc độ động cơ cảm ứng dùng bộ biến tần đa bậc thì có rất
nhiều lựa chọn cho việc nghiên cứu. Biến tần đa bậc có thể là bộ biến tần với bộ
nghịch lưu dùng linh kiện bán dẫn IGBT thông thường, là bộ biến tần với bộ
nghịch lưu dùng Diode kẹp (Neutral Point Clamped - NPC) hoặc bộ biến tần có bộ
nghịch lưu dạng cascode, dạng lai… Để thay đổi được điện áp cấp cho tải đồng
thời đảm bảo được các chỉ tiêu về hoạt động ổn định của động cơ cảm ứng, vấn đề
đáng quan tâm là phần điều khiển các công tác bán dẫn ở bộ nghịch lưu. Có rất
nhiều phương pháp điều khiển đã được đưa ra trong đó có phương pháp điều khiển
hướng trường (Field Oriented Control - FOC), phương pháp điều khiển momen
trực tiếp (Direct Torque Control -DTC) [9].
So sánh hai phương pháp điều khiển này thì phương pháp điều khiển momnen
trực tiếp có ưu điểm hơn cả và có nhiều nghiên cứu tập trung vào phương pháp
này.
Với phương pháp DTC cổ điển, các nhà nghiên cứu nhận thấy vẫn còn nhiều
nhược điểm cần được khắc phục. Từ đó phương pháp DTC cải tiến đã được kiểm
nghiệm và chứng minh như phương pháp DTC với độ gợn momen nhỏ nhất [4] ,
DTC dùng điều chế vector không gian (space vetor modulation - SVM) [9], rồi đến
phương pháp DTC dùng bộ điều khiển mờ…
Kết quả so sánh giữa các phương pháp điều khiển [9] được đưa ra như trong
bảng 1.1.

-1-


Luận văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

Bảng 1.1: Bảng so sánh giữa các phương pháp điều khiển
Ưu điểm

Nhược điểm
Trong bộ chỉnh lưu dòng IP,

Điều khiển
tựa hướng
từ thông

Thực hiện sơ đồ tương đối đơn

đáp ứng động tương đối thấp.

giản

Sự điều khiển tham số là

Kỹ thuật đã được chứng minh

nguyên nhân dẫn đến sai số

và ít được sử dụng

biên độ từ thông và momen
cao.

Điều khiển

Đáp ứng momen nhanh

Độ méo dòng cao

momen

Tương đối đơn giản

Độ gợn momen cao

trực tiếp

Không cần bộ giải mã tốc độ

Tần số chuyển mạch thay đổi

hay vị trí.

theo tốc độ động cơ.

(DTC)

Đáp ứng momen nhanh tương
đương với điều khiển momen

DTC dùng
SVM

trực tiếp cổ điển.

Giải thuật điều khiển rất phức

Độ gợn momen và độ méo

tạp so với các sơ đồ điều khiển

dòng ở trạng thái ổn định thấp

khác. Yêu cầu bộ vi xử lý

bằng với FOC

tương đối mạnh để thực hiện ở

Tần số chuyển mạch ổn định

tần số đóng cắt mong muốn là

Độ chính xác không bằng FOC

10kHz.

Không cần bộ giải mã tốc độ
hay vị trí.
DTC với
độ gợn
momen cực
tiểu

Đáp ứng momen nhanh

Sự biến thiên biên độ từ thông

Độ gợn momen ở trạng thái ổn

stator lớn

định rất thấp.

Độ méo dòng rất cao.

-2-


Luận văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, sự đòi hỏi ngày càng
cao của các thiết bị điện, điện tử công nghiệp nên yêu cầu có những kỹ thuật điều
khiển phù hợp. Vì thế mà đã có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về lĩnh vực
này đã được đưa ra.
Ở phương pháp DTC cổ điển, người ta thực hiện lựa chọn sector để có được
trạng thái chuyển mạch mong muốn. Nhưng khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp thì
lại xuất hiện hiện tượng từ hóa, từ đó phương pháp chia nhỏ sector và điện áp giữa
được đưa ra. Đồng thời người ta cũng giới hạn tần số chuyển mạch của bộ nghịch
lưu xung quanh 1 kHz [6].
Một cải thiện nữa của DTC là DTC trễ cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
dùng cấu trúc bộ lọc tích cực. Kỹ thuật DTC loại này giúp giảm độ gợn momen và
giảm thành phần nhiễu hài và nhiễu giao thoa điện từ [11].
Trong trường hợp động cơ cảm ứng được cuốn lại hở đầu để có công suất hoạt động

lớn, người ta đề xuất và thử nghiệm kỹ thuật DTC dùng điều chế độ rộng xung
vector không gian (SVPWM). Tuy nhiên, với kỹ thuật này lại tạo ra điện áp
common mode – nguyên nhân chính gây ra dòng điện ký sinh/ lỗi. Vấn đề đặt ra là
loại bỏ dòng điện này, và kỹ thuật mới của SVPWM –DTC được đề xuất và kiểm
nghiệm. Kết quả là đã triệt tiêu được điện áp common mode đồng thời khử được
các chuỗi dòng zero [12].
Song song với việc lựa chọn phương pháp điều khiển tốc độ động cơ thì việc
chọn bộ biến tần cấp nguồn cho động cơ cũng khá quan trọng. Các nghiên cứu cho
thấy động cơ được cấp nguồn bởi bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc cho đáp ứng
momen và từ thông có độ gợn nhỏ hơn so với dùng nghịch lưu 2 bậc [4], [8].
Việc nghiên cứu điều khiển các bộ nghịch lưu cũng thu hút được sự quan tâm
của nhiều nhà khoa học. Đầu tiên là phương pháp điều chế độ rộng xung sin rồi đến
điều chế độ rộng sóng mang (CPWM) và một trong những nghiên cứu mang lại
nhiều thành quả nhất là điều chế độ rộng xung theo phương pháp vector không gian
(SVPWM).

-3-


Luận văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

Năm 2006, một lý thuyết mới được đưa ra nhằm giải tích hóa tương quan giữa
hai phương pháp CPWM và SVPWM, kết quả nghiên cứu đã hoàn thiện kỹ thuật đa
điều chế cho phép điều khiển toàn diện bộ nghịch lưu đa bậc. Cho đến nay, đây
cũng chính là hai phương pháp nghiên cứu phổ biến nhất ở các nước trên thế giới.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Với hệ truyền động động cơ không đồng bộ điều khiển bằng phương pháp
SVPWM – DTC có ưu điểm là cho đáp ứng momen nhanh và độ gợn momen nhỏ

nhưng nếu dùng bộ nghịch lưu có bậc càng cao thì việc chọn các trạng thái chuyển
mạch càng khó.
Hơn nữa, mục tiêu của điều khiển bộ nghịch lưu là giảm công suất tổn hao, hay
giảm số lần đóng ngắt của các phần tử bán dẫn. Điều này có thể thực hiện được
bằng phương pháp điều chế gián đoạn (DPWM).
Do cấu trúc của bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC, trong 1 pha sẽ có hai nhóm
công tác bán dẫn. Nếu dùng hai sóng mang và một sóng điều khiển cho 1 pha thì
việc tạo ra các tín hiệu điều khiển hai nhóm công tác bán dẫn trên được thực hiện
một cách dễ dàng nhưng giá thành sản phẩm lại cao. Vấn đề này có thể khắc phục
bằng cách dùng một sóng mang và tạo ra hai sóng điều khiển cho một pha.
1.3. Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu
Tìm hiểu các phương pháp DTC trong điều khiển tốc độ động cơ và chọn một
phương pháp để thực hiện.
Tìm hiểu cách điều khiển các công tác bán dẫn cho bộ nghịch lưu áp 3 bậc NPC
và chọn một phương pháp tối ưu.
Thiết lập sơ đồ khối hệ truyền động điện động cơ không đồng bộ 3 pha cấp
nguồn bởi bộ nghịch lưu áp 3 bậc NPC. Thiết lập các đại lượng vào, đại lượng ra
cho từng khối, mối quan hệ giữa các đại lượng đó.
Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động điện động cơ không đồng bộ 3 pha
cấp nguồn bởi bộ nghịch lưu áp 3 bậc NPC trên Matlab/ Simulink. So sánh với
phương pháp DTC cổ điển.

-4-


Luận văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài

1.4.1. Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp 3 bậc NPC dùng 1 sóng
mang và hai sóng điều khiển cho một pha.
Xây dựng hệ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ cấp nguồn bởi bộ nghịch
lưu áp 3 pha 3 bậc NPC dùng phương pháp DTC trên môi trường Matlab /
Simulink.
Thực hiện mô phỏng, đánh giá, kết luận.
1.4.2. Giới hạn đề tài
Do thời gian có hạn nên tác giả chỉ tập trung nghiên cứu phương pháp DTC
có kèm bộ điều chỉnh tốc độ (speed controller), kết hợp phương pháp CPWM điều
khiển bộ nghịch lưu áp 3 bậc NPC. Ở phương pháp CPWM tác giả tập trung vào kỹ
thuật điều khiển với hàm offset trung bình.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu, bài báo liên quan đến đề tài nghiên cứu: Sơ đồ DTC –
SVM cho động cơ cảm ứng cấp nguồn bởi bộ nghịch lưu 3 bậc [4], mô phỏng và
phân tích SVPWM dựa vào bộ nghịch lưu 2 bậc, 3 bậc cấp nguồn cho động cơ cảm
ứng – momen trực tiếp [8].
- Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến, trao đổi kinh nghiệm những khóa cao
học trước và những người có kinh nghiệm trong lĩnh vực điều khiển tốc độ động cơ
và điều chế độ rộng xung sóng mang.
- Phương pháp thực nghiệm: Phần nghiên cứu được kiểm chứng bằng việc thực hiện
mô phỏng và đánh giá trên phần mềm Matlab/Simulink.

-5-


Luận văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

1.6. Kế hoạch thực hiện
TT

Thời gian

Công việc

1

9/2010 – 10/2010

Thu thập và nghiên cứu tài liệu.

2

6/2011 – 7/2011

Xây dựng mô hình mô phỏng trên
Matlab/Simulink.

3

7/2011 – 9/2011

4

9/2011 – 11/2011

Tiến hành mô phỏng, đánh giá và
lưu trữ kết quả.

Viết và hoàn chỉnh luận văn.

-6-

Ghi chú


Luận văn Thạc sĩ

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Bộ nghịch lưu áp đa bậc
Bộ nghịch lưu áp đa bậc biến đổi điện áp một chiều ở ngõ vào thành điện áp
xoay chiều điều khiển được cấp cho tải xoay chiều 3 pha. Nguồn một chiều có thể
lấy từ Pin, acquy, hoặc từ điện áp xoay chiều được chỉnh lưu rồi lọc phẳng.
Các linh kiện bán dẫn trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng, ngắt
dòng qua nó. Trong các ứng dụng nhỏ và vừa có thể sử dụng transistor BJT,
MOSFET, IGBT. Ở phạm vi công suất lớn có thể dùng GTO, IGCT hoặc SCR kết
hợp với bộ chuyển mạch.
Mỗi công tắc có một diode mắc đối song với nó. Các diode mắc đối song này
tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn ngược lại với chiều
dẫn điện của các công tắc. Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu diode là tạo điều kiện
thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay
chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc.
Bộ nghịch lưu áp 2 bậc chứa hai khóa bán dẫn trên mỗi nhánh pha tải được gọi
chung là bộ nghịch lưu áp hai bậc (two - level VSI). Chúng được ứng dụng rộng rãi
trong phạm vi công suất vừa và nhỏ. Khái niệm hai bậc xuất phát từ quá trình điện

áp giữa đầu một pha tải đến một điểm điện thế chuẩn trên mạch thay đổi giữa 2 bậc
giá trị khác nhau. Bộ nghịch lưu áp hai bậc có nhược điểm là tạo ra điện áp có độ
dốc (dv/dt) khá lớn và gây ra một số vấn đề khó khăn bởi tồn tại trạng thái điện thế
từ các pha đến tâm nguồn DC khác không (hiện tượng common mode voltage).
Bộ nghịch lưu áp đa bậc được phát triển để giải quyết các vấn đề gây ra bởi bộ
nghịch lưu áp hai bậc và thường được sử dụng cho các ứng dụng công suất lớn.
 Các ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc
- Công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên. Đối với tải công suất lớn, điện áp
cung cấp cho tải có thể đạt giá trị tương đối lớn.

-7-


Luận văn Thạc sĩ

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Điện áp đặt lên linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình
đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo.
- Với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra
giảm hơn so với bộ nghịch lưu áp hai bậc.
2.2. Cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc
2.2.1. Cấu trúc Diode kẹp (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter)
Cấu trúc này được sử dụng thích hợp khi nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện
AC. Bộ nghịch lưu đa bậc chứa các cặp diode kẹp có một mạch nguồn DC được
phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp.
Giả sử nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp. Điện
áp pha - nguồn DC có thể đạt được (n+1) giá trị khác nhau và từ đó bộ nghịch lưu
được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc.
Ví dụ (xem hình 2.1) chọn mức điện thế 0 V ở tại điểm mass của nguồn điện,

các mức điện áp có thể đạt được gồm (0, -Ud / 2, Ud /2). Điện áp từ một pha tải (ví
dụ pha a) thông đến một vị trí bất kỳ trên (Ví dụ 0) nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó
(ví dụ D1, D1’). Để điện áp pha a – nguồn DC đạt được mức điện áp nêu trên (Ua0 =
Ud / 2), tất cả các linh kiện bị kẹp giữa hai diode – gồm 2 linh kiện mắc nối tiếp
liên tục kề nhau (Sa11, Sa21) phải được kích đóng, các linh kiện còn lại phải được
khóa theo nguyên tắc kích đối nghịch. Như hình vẽ 2.1, tạo ra 3 mức điện áp pha –
nguồn DC nên mạch trên gọi là bộ nghịch lưu 3 bậc. Ta có bảng các mức điện áp
nghịch lưu ngõ ra và trạng thái chuyển mạch tương ứng của pha a như bảng 2 - 1.
Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và giảm
shock điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch lưu ba bậc, dv/dt trên linh kiện và
tần số đóng cắt giảm đi một nửa. Tuy nhiên với n > 3, mức độ chịu gai áp trên các
diode sẽ khác nhau. Ngoài ra, cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên tụ) trở
nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn.

-8-


Luận văn Thạc sĩ

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Hình 2. 1: Bộ nghịch lưu áp ba bậc NPC
Bảng 2.1: Các mức điện áp nghịch lưu ngõ ra và trạng thái chuyển mạch tương ứng
của pha a.
Các mức điện áp Ua0

Trạng thái chuyển mạch

-Ud / 2

S12 đóng, S22 đóng

0

S21 đóng, S12 đóng

Ud / 2

S11 đóng, S21 đóng

2.2.2. Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Floating Capacitor Multilevel Inverter)
- Ưu điểm:
+ Khi số bậc tăng cao thì không dùng bộ lọc.
+ Có thể điều tiết công suất tác dụng và phản kháng nên từ đó có thể điều tiết
việc phân bố công suất trong lưới có dùng biến tần.

-9-


Luận văn Thạc sĩ

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Nhược điểm:
+ Số lương tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều dẫn đến giá thành tăng
và độ tin cậy giảm.
+ Việc điều khiển sẽ khó khăn khi số bậc bộ nghịch lưu áp tăng cao.

Hình 2. 2: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng tụ điện thay đổi
 Trong các cấu trúc vừa nêu trên, tuy mỗi sơ đồ đều có ưu nhược điểm riêng

nhưng thông dụng nhất vẫn là dạng NPC. Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi khó thực
hiện do mỗi nhóm tụ trong mạch được nạp với một mức điện áp khác nhau khi
mạch làm việc với số bậc lớn.
2.3. Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp
2.3.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM
Các bộ nghịch lưu áp được điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng
xung – PWM (Pulse Width Modulation) và qui tắc kích đối nghịch. Qui tắc này
đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc và kỹ
thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của
sóng hài bậc cao xuất hiện phía tải.
2.3.1.1. Các tiêu chí đánh giá bộ nghịch lưu áp
- Chỉ số điều chế (Modulation index) m: là tỉ số giữa biên độ thành phần hài

- 10 -


Luận văn Thạc sĩ

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

cơ bản tạo nên bởi phương pháp điều khiển và biên độ thành phần hài cơ bản đạt
được trong phương pháp điều khiển sáu bước (sixsteps).
m

U (1) m
V(1) m sixsteps



U (1) m

2Vd



(2.1)

- Độ méo dạng sóng hài toàn phần (THD: Total Harmonic Distortion) là đại
lượng dùng để đánh giá sự xuất hiện sóng hài bậc cao (bậc 2, bậc 3…) trong hệ
thống điện.


THD 

H
n2

2
(n)

H1

(2.2)

Với: n là số nguyên, H(n) là sóng hài bậc thứ n, H1 là sóng hài cơ bản.
- Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt: công suất tổn hao xuất
hiện trên linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn hao công suất khi linh kiện ở trạng
thái dẫn điện Pon và tổn hao công suất động Pdyn. Tổn hao công suất Pdyn tăng lên khi
tần số đóng ngắt của linh kiện tăng lên.
2.3.1.2. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM
 Bố trí ngược pha (APOD: Alternative Phase Opposition Disposition)

Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180 độ (xem hình 2.3).

Hình 2. 3: Dạng sóng mang APOD

- 11 -


Luận văn Thạc sĩ

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

 Bố trí đối xứng qua trục zero (POD: Phase opposition Disposition)
Tất cả các sóng mang nằm trên trục zero sẽ cùng pha nhau và ngược lại các
sóng mang nằm dưới trục zero sẽ bị dịch đi 180 độ (xem hình 2.4).

Hình 2. 4: Dạng sóng mang POD
 Bố trí cùng pha (PD: In Phase Disposition)
Tất cả các sóng mang đều bố trí cùng pha (xem hình 2.5).

Hình 2. 5: Dạng sóng mang PD
Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí các sóng mang

- 12 -


Luận văn Thạc sĩ

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

đa bậc cùng pha – PD cho độ méo dạng điện áp dây nhỏ nhất. Đối với bộ nghịch

lưu áp ba bậc, phương pháp POD và AOD cho cùng kết quả.
2.3.1.3. Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Subharmonic PWM)
Để tạo xung kích cho các linh kiện trong cùng một pha, ta sử dụng một số
sóng mang (dạng tam giác) và một tín hiệu điều khiển (dạng sin).
Về nguyên lý, phương pháp này thực hiện dựa vào kỹ thuật analog. Giản đồ
đóng kích công tắc bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:
- Sóng mang up (carrier signal) tần số cao, có thể ở dạng tam giác.
- Sóng điều khiển ur (reference signal) hoặc sóng điều chế (modulating signal)
dạng sin. Ví dụ: công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang
(ur > up). Trong trường hợp ngược lại, công tắc chẵn được kích đóng.
Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao xuất hiện trong dạng điện
áp và dòng điện tải bị khử càng nhiều. Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm cho tổn
hao phát sinh do quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo. Ngoài ra, các linh kiện
còn đòi hỏi thời gian đóng ton, và thời gian ngắt toff nhất định. Các yếu tố này làm
hạn chế việc chọn sóng mang.
Đối với bộ nghịch lưu áp n bậc, số sóng mang được sử dụng là (n-1). Chúng
có cùng tần số fc và cùng biên độ đỉnh Ac. Sóng điều khiển ur (hay sóng điều chế)
có biên độ đỉnh Am và tần số fm mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số
sóng hài cơ bản của điện áp ở ngõ ra.
Gọi mf là tỷ số điều chế tần số (frequency modulation ratio):

mf 

f carrier
f reference



fc
fm

(2.3)

Việc tăng giá trị fm sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số các sóng hài xuất hiện.
Điểm bất lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do số lần đóng cắt
lớn.
Tương tự gọi ma là tỷ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio):

ma 

U mreference
Am

U mcarrier
(n  1) Ac

- 13 -

(2.4)


Luận văn Thạc sĩ

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nếu ma ≤ 1 (biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang) thì quan hệ giữa
thành phần cơ bản của điện áp ra và điện áp điều khiển là tuyến tính.
Đối với bộ nghịch lưu áp ba pha thì biên độ áp pha hài cơ bản:

U t (1) m  ma

U
2

(2.5)

Khi giá trị ma > 1 thì sóng hài cơ bản của điện áp ra tăng không tuyến tính
theo ma. Lúc này, bắt đầu xuất hiện lượng sóng hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt
đến mức giới hạn cho bởi phương pháp 6 bước. Trường hợp này còn gọi là quá điều
chế (over modulation) hoặc điều chế mở rộng.
Phương pháp Sin PWM đạt được chỉ số điều chế lớn nhất trong vùng tuyến
tính khi biên độ sóng điều chế bằng với biên độ sóng mang. Lúc đó ta có:

mSPWM max 

U (1) m
U (1) msix _ step



U 2 
  0,785
2U  4

(2.6)

Trong đó U là tổng điện áp các nguồn DC

Hình 2. 6: Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển
2.3.1.4. Phương pháp điều chế độ rộng xung sóng mang (carier base PWM)

Phương pháp này thực hiện cộng thêm vào tín hiệu điều chế một tín hiệu Voffset,
Voffset được gọi là điện áp common mode có thể có giá trị lớn nhất (Vomax), nhỏ nhất
(Vomin) hay trung bình (Vomid).

- 14 -