Điều khiển tốc độ động cơ biến tần đa bậc NPC bằng phương pháp DTC

Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật

Kỹ thuật – Cơng nghệ
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
BIẾN TẦN ĐA BẬC NPC BẰNG PHƯƠNG PHÁP DTC
Vũ Thế Đảng*
Nguyễn Thị Hiền**


TĨM TẮT

Bài báo này trình bày nghiên cứu phương pháp điều khiển momen trực tiếp dùng điều chế
độ rộng xung sóng mang (CPWM – DTC) cho hệ thống điều khiển tốc độ động cơ cấp nguồn bởi bộ
nghịch lưu áp ba bậc NPC. Mơ hình tốn học của CPWM – DTC được xây dựng dựa trên lý thuyết
về mơ hình động cơ khơng đồng bộ ba pha trên hệ trục tọa độ cố định gắn với stator. Kỹ thuật điều
chế độ rộng xung sóng mang với hàm offset trung bình được ứng dụng vào bộ nghịch lưu áp đa bậc
NPC. Kết quả nghiên cứu đã được mơ phỏng và kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink cho
thấy hệ thống đáp ứng tốt với phương pháp CPWM – DTC đưa ra.
Từ khóa: Điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM), điều khiển momen trực tiếp
(DTC), cặp diode kẹp (NPC), độ méo hài tồn phần (THD).

CONTROL NPC INVERTER AND MULTI-LEVEL
ENGINE SPEED BY DTC
ABSTRACT
This thesis presents a research on the carrier base pulse width modulation (CPWM) – DTC
technique in Motor speed Control system fed NPC three level voltage source inverter. Mathematical
model of CPWM - DTC has been built based on theory of indution motor model in stator fixed
coordinate system. CPWM with medium common mode technique has been applied for NPC
multilevel voltage source inverter. Research results have been simulated and verified on the Matlab/
Simulink software which reveals that the system works well with presented CPWM – DTC technique.
Keywords: Carier base Pules Width Modulation (CPWM), Direct Torque Control (DTC),

Neutral Point Clamped (NPC), Total Harmonic Distortion (THD).

1.Giới thiệu.
Ngày nay, việc điều khiển tốc độ động
cơ khơng đồng bộ đã thu hút được sự quan
tâm của rất nhiều nhà nghiên cứu, các phương
pháp điều khiển đã được đưa ra và được kiểm
chứng bằng kết quả mơ phỏng như phương

pháp FOC, DTC cổ điển rồi DTC cải tiến
trong đó DTC dùng điều chế độ rộng xung
sóng mang (CPWM) [4] cho thấy có nhiều ưu
điểm nổi bật.
Cho đến nay, bộ biến tần đa bậc ngày
càng được dùng nhiều trong cơng nghiệp và

ThS. GV. Trường ĐH Kinh tế Kỹ thuật Bình Dương
ThS. GV. Trường cao đẳng nghề Cơng nghệ Nơng Lâm Nam Bộ

*

**

50


Điều kiển tốc độ....

bộ biến tần có bậc càng cao ngày càng được
sử dụng nhiều. Việc cấp nguồn cho động cơ

không đồng bộ dùng biến tần đa bậc cho hiệu
quả cao và việc thực hiện điều khiển các công
tác bán dẫn được thực hiện dễ dàng hơn khi
dùng phương pháp CPWM .
Bài báo này trình bày phương pháp
CPWM – DTC với kỹ thuật CPWM sử dụng
hàm offset trung bình, biến tần ba bậc NPC.
Từ đó có thể khảo sát thêm đối với biến tần
5 bậc, 7 bậc và sử dụng hàm offset lớn nhất
hoặc nhỏ nhất để giảm công suất tổn hao trong
quá trình làm việc.
2. Nội dung.
2.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu áp đa bậc
NPC
Bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC gồm có:
4 x 3 = 12 cặp IGBT, 3 x 2 = 6 cặp Diode, 2 tụ
điện DC. Các cặp IGBT trên cùng 1 pha sẽ được
đóng ngắt theo qui tắt kích đối nghịch (Hình 1).
2.2. 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).
Với Vomin = - Min (Vta, Vtb, Vta) (1)
Vomax = Vd – Max (Vta, Vtb, Vta) (2)
(3)
Vo min + Vo max
Vomid =

Vdkj =

V jo
Vd
n −1

(5)

Trong đó j = a, b, c; n là số bậc bộ biến tần.
Vd là điện áp một chiều cấp cho bộ nghịch
lưu.
Như vậy để tạo ra tín hiệu điều khiển các
công tác bán dẫn cho 1 pha, nếu dùng 1 sóng
mang thì cần (n-1) sóng điều khiển.

Hình 1. Bộ nghịch lưu áp
NPC 3 bậc 3 nhánh
2.3. Giải thuật dùng một sóng mang và
(3-1) sóng điều khiển cho một pha.
Sóng mang dùng chung cho 3 pha có biên
độ [0 1], một sóng điều khiển của mỗi pha có
biên độ lớn hơn 1, nhỏ hơn 0 hay nằm giữa 0
và 1. Từ một sóng điều khiển này ta tạo ra hai
sóng khác ví dụ cho pha a là va1, va0 với điều
kiện sau.
= 1
1neuva >

va1 = 

va neuva < 1

va 0 = va − 1neuva > 1

2

Trong đó Vta, Vta, Vtc là điện áp tải các pha
a, b, c.
Khi đó điện áp trung bình pha tải được
tính như công thức (4).
Vao = Vta + Voffset
Vbo = Vtb + Voffset
(4)
Vco = Vtc + Voffset
Điện áp điều khiển được tính như công
thức (5)

(6)
(7)

Sau đó thực hiện so sánh hai sóng này với
sóng mang để được tín hiệu đóng ngắt công
tác bán dẫn (lưu ý là các công tác kích dẫn đối
nghịch (Sa11 + Sa12 = 1)).
2.4. Sơ đồ khối hệ điều khiển tốc độ động
cơ KĐB dùng CPWM – DTC.
Sơ đồ hệ điều khiển tốc độ động cơ KĐB
như hình 2. Trong sơ đồ này, bộ DTC &
51

Taùp chớ Kinh teỏ - Kyừ thuaọt

Khi c lng t thụng (hỡnh 5) c
xõy dng da trờn cụng thc toỏn hc (11),
(12), (13), (14), (15), (16).
Hai b PI c thc hin da vo cụng
thc (9), (10)

controller úng vai trũ quan trng, khi ny
cú cu trỳc nh hỡnh 3.

u sq = K p .T
e + K i Tedt

(9)

*

u sd = K p . s + K i s dt
*

Hỡnh 2. S khi h iu khin tc
ng c KB dựng pp CPWM - DTC
2.5. Phng phỏp DTC
S khi ca khi DTC & controller
nh hỡnh 3, cũn s mụ phng khi ny trờn
matlab/ simulink nh hỡnh 6.

(11)

sd = (Vsd Rs i sd )dt

(12)

sq = (Vsq Rs i sq )dt

(13)

Teta = tg



(14)

1

sq

sd

(15)

3
P( sd i sq sq .i sd )
2

(16)

P l s cp cc t

Cỏc in ỏp v dũng in ti c chuyn
trc ta theo biu thc chuyn i Clarke
(17), (18).



cos
sin
v a

v = cos( 2 ) sin( 2 ) v d

b
3
3 v q
vc

2
2
cos( +
) sin( +
)
3
3


Trong ú khi speed controller (hỡnh 4) cú
nhim v hiu chnh giỏ tr momen t Te* v
t thụng t Flux* da vo sai lch gia tc
t v tc thc ca ng c nh cụng

thc (8)
= K p .e(t ) + K i e(t )dt



s = sd2 + sq2

Hỡnh 3. Khi DTC & controller

*

(10)

s = sd + j sq

Te =

Te



(8)

(17)

(18)
1
1
Vsd = (2.Va + Vb + Vc ) Vsq =
(Vb Vc )

3
3
,

Flux* = 1 khi 0 < tc rotor < tc
nh mc.

Hỡnh 5. Khi c lng t thụng v momen
trờn Matlab/ simulink

Hỡnh 4. Khi speed controller trong matlab
52


Điều kiển tốc độ....

- Bộ điều khiển tốc độ động cơ (speed
controller)
- Kp = 30, Ki = 200
- Phạm vi momen tại ngõ ra [-1200, 1200]
- Thông số của bộ nghịch lưu áp:
- Điện áp DC cấp 480V
- Tần số chuyển mạch 5kHz
- Hệ số điều chế 0,5
Sơ đồ mô phỏng trên matlab như hình 7.

Hình 6. Sơ đồ mô phỏng khối DTC &
controller trên Matlab/ simulink
3. Kết quả mô phỏng.
Thực hiện mô phỏng hệ thống điều khiển

tốc độ động cơ KĐB ba pha dùng phương
pháp DTC cấp nguồn bởi bộ nghịch lưu áp 3
bậc NPC.
Các tham số ngõ vào:
Tại thời điểm t = 1s tốc độ tham chiếu là
500 rpm.
Tại thời điểm t = 3s (ở trạng thái xác lập)
momen tải là 950N.m.
Tham số động cơ không đồng bộ 3 pha:
Công suất định mức: 149200VA = 149,2 KVA.
Điện áp dây – dây: 380Vrms
Tần số điện áp: 50Hz
Tốc độ định mức: 1500 rpm
Điện trở stator: Rs = 0,01485 ohm
Độ tự cảm cuộn stator: Ls = 0,3027 mH
Điện trở rotor: Rr = 0,01485 ohm
Độ tự cảm cuộn dây rotor: Lr = 0,3027 mH
Độ hỗ cảm: Lm = 10,46 mH
Số cặp cực: P = 2
Momen tải: T = 149,2 * 9550 / 1500 =
950 N.m
Thông số của khối DTC:
Tính từ thông định mức: 0.8wb
- Bộ điều khiển momen có Kp = 1,5; Ki
= 100
- Bộ điều khiển từ thông có: Kp = 250; Ki
= 4000

Hình 7. Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động
động cơ không đồng bộ trên matlab

Thực hiện điều chế độ rộng xung sóng
mang.
Trường hợp tốc độ đặt thay đổi đột ngột, có
thực hiện hạn chế dòng khởi động ta nhận được
dòng điện stator như hình 8. So với trường hợp
ở hình 9 thì dòng điện khởi động lớn hơn khá
nhiều. Trong trường hợp không khống chế
dòng điện khởi động thì dòng stator tại thời
điểm có tải tăng rất cao (>900V) (hình 10).
Tốc độ thực của roto thay đổi theo tốc độ
đặt và đáp ứng momen tương ứng ở hai trường
hợp (*) và (**) như hình 11, 12, 13, 14.

Hình 8. Dòng điện stator, tốc độ đặt thay đổi
đột ngột, có hạn chế dòng khởi động (*)

53


Taùp chớ Kinh teỏ - Kyừ thuaọt

Hỡnh 9. Dũng in stator, tc t thay i
t t, cú hn ch dũng khi ng (**)

Hỡnh 12. Tc rotor ng vi
trng hp (**)

Hỡnh 10. Dũng in stator, tc t thay
i t t khụng khng ch dũng khi ng

Hỡnh 13. ỏp ng momen ng vi TH (*)

Hỡnh 11. Tc rotor ng vi
trng hp (TH) (*)

Hỡnh 14. ỏp ng momen ng vi TH (**)

Kt qu so sỏnh gia phng phỏp DTC c
in v CPWM DTC nh trong bng 1 v 2.

Bng 1: Bng so sỏnh dũng in khi ng v tng mộo hi ca dũng in.
Tc
0 lờn 500
500 xung 0

Dũng in khi ng (A)
CPWM DTC
DTC c in
150
900
300
250

Tng mộo hi dũng in
CPWM - DTC
DTC c in
55,06
154,7
35,98
101,5

Bng 2: Bng so sỏnh gn t thụng stator v gn momen.
gn t thụng stator (50Hz) gn momen (50Hz)
Tc
CPWM DTC DTC c in CPWM - DTC DTC c in
0 lờn 500
0,0002823
0.00918
14,05
11,37
500 xung 0
0.0002945
0.0007291
34,86
20,41
54


Điều kiển tốc độ....

4. Kết luận.
Bài báo đã trình bày những kết quả mô
phỏng của mô hình hệ điều khiển tốc độ động
cơ KĐB dùng phương pháp CPWM - DTC.
Kết quả cho thấy với phương pháp CPWM
– DTC đã cho độ gợn dòng điện stator nhỏ,

độ gợn đáp ứng từ thông stator nhỏ hơn so
với phương pháp DTC cổ điển đồng thời khắc
phục được trường hợp dòng điện khởi động

tăng cao tránh hư hỏng linh kiện bán dẫn.
Tuy nhiên, độ gợn momen còn lớn hơn so với
DTC cổ điển.



TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Ehsan Hassankhan, and Davood A. Khaburi, DTC-SVM Scheme for Induction Motors Fed
with a Three-level Inverter, World Academy of Science, Engineering and Technology 44
2008.
[2]. Journal of electrical engineering, Direct Torque control of induction motor with fuzzy
minimization torque ripple, Vol. 56, No. 7-8, 2005, 183–188.
[3]. Kyo-Beum Lee, Student Member, IEEE, Joong-Ho Song, Member, IEEE, Ick Choy, and
Ji-Yoon Yoo, Member, IEEE, Improvement of Low-Speed Operation Performance of DTC
for Three-Level Inverter-Fed Induction Motors, IEEE Transactions on power electronics
Vol. 48, No. 5, October 2001.
[4]. Kyo-Beum Lee, Student Member, IEEE, Joong-Ho Song, Member, IEEE, Ick Choy, and
Ji-Yoon Yoo, Member, IEEE, Torque Ripple Reduction in DTC of Induction Motor Driven
by Three-Level Inverter With Low Switching Frequency, IEEE Transactions on power
electronics Vol. 17, No. 2, March 2002.
[5]. M. Lakshmi Swarupa, G. Tulasi Ram Das and P.V. Raj Gopal Simulation and Analysis
of SVPWM Based 2-Level and 3-Level Inverters for Direct Torque of Induction Motor,
International Journal of Electronic Engineering Research ISSN 0975 - 6450 Volume 1
Number 3 (2009) pp. 169–184. 2004.
[6]. J. C. Trounce, S. D. Round, R. M. Duke, Comparison by simulation of three-level induction
motor torque control schemes for electric vehicle applications,University of Canterbury
New Zealand.
[7]. J. C. Trounce, S. D. Round, R. M. Duke, Evaluation of Direct torque control using space
vector modulation for electric vehicle applications, University of Canterbury New Zealand.

55