Sử dụng phương pháp sin pwm cho bộ biến tần 5 chân cung cấp cho 2 tải 3 pha
SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SIN PWM CHO BỘ BIẾN TẦN
5 CHÂN CUNG CẤP CHO 2 TẢI 3 PHA
A PWM METHOD FOR A 5 LEG INVERTER
SUPPLYING 2 THREE-PHASE MACHINES
Hồ Huỳnh Lâm1
1 Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
TÓM TẮT
Ngày nay, động cơ không động bộ ba pha được sử dụng rất phổ biến trong các ứng dụng điện
công nghiệp và dân dụng do kết cấu đơn giản, hiệu suất cao, giá thành thấp. Vì vậy giải thuật
điều khiển được hai động cơ ở chế độ vận hành khác nhau bởi một bộ biến tần thì trong công
nghiệp đang là vấn đề được đặt ra cho các nhà khoa học. Kết quả của ứng dụng này sẽ làm giảm
giá thành cũng như là khối lượng, không gian chiếm chỗ cho lắp đặt bộ điều khiển [2] –[8]
Trong bài báo này tác giả trình bày giải thuật điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha và sau đó
ứng dụng kỹ thuật Sin PWM để đưa ra giải thuật điều khiển 2 tải 3 pha độc lập trên nển bộ biến
tần 5 chân (10 khóa đóng cắt công suất). Thuật toán được mô phỏng trên phần mềm PSIM và
sau đó kết quả được triển khai thử nghiệm với hệ thống thực nghiệm trên nền Board điều khiển
có vi xử lý C2000 TMS320F28335 Và Mạch lái được xây dựng dựa trên SKHI của Semikron, và
dạng sóng áp pha, áp dây, dòng điện, các số liệu về độ méo dạng của kết quả chứng minh giải
thuật đã bước nào thành công trong việc điều khiển 2 tải 3 pha độc lập trên nển 1 bộ biến tần 5
chân.
Từ khóa: controlled dual induction motor, Bộ biến tần matrix converter, Five-leg inverter, Sin
PWM method.
ABSTRACT
Today, motors, three-phase asynchronous used very popular in industrial applications and civil power by
the simple structure, high efficiency, low cost. So the algorithm controls two motors operating in different
modes by a frequency converter, the industry is a matter to be put to the scientists. The result of this
application will reduce costs as well as the volume, the space occupied for controller installation [2] –
[8].
In this paper the author presented algorithm engine control 3-phase asynchronous and then
apply Sin PWM method control algorithm 2 independent 3-phase loads on the Five-leg inverter
candles (10 key switching capacity). The algorithm is modeled on PSIM software and then the
results are implemented testing system based experimental control board C2000 processors
TMS320F28335 and driving circuit is built on SKHI of Semikron, and waveforms phase voltage,
voltage wires, power lines, data on the results of distortion algorithm has proven successful steps
in controlling 2 independent 3-phase loads on the Five-leg inverter.
Keywords: controlled dual induction motor, matrix converter, Five-leg inverter, Sin PWM
method
thấp.Trong công nghiệp, động cơ không
đồng bộ thường được dùng làm nguồn động
lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ,
cho các máy công cụ ở các nhà máy công
nghiệp nhẹ…Trong nông nghiệp, được dùng
làm máy bơm hay máy gia công nông sản
phẩm…Trong đời sống hằng ngày, động cơ
không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí
1. GIỚI THIỆU VỀ KHẢ NĂNG VÀ
ỨNG DỤNG CỦA BỘ BIẾN TẦN
ĐIỀU KHIỂN NHIỀU TẢI 3 PHA
ĐỘC LẬP.
Ngày nay, động cơ không động bộ ba
pha được sử dụng rất phổ biến trong các ứng
dụng điện công nghiệp và dân dụng do kết
cấu đơn giản, hiệu suất cao, giá thành
quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió,
động cơ trong tủ lạnh, máy quay dĩa,… Tóm
lại, cùng với sự phát triển của nền sản xuất
điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng
dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng
rộng rãi [1].
một động cơ hỏng hóc thì xe vẫn vận hành
bình thường. Hệ thống cần hai biến tần khác
nhau với hai vi điều khiển (Digital Signal
Processing - DSP) khác nhau: Rear DSP điều
khiển Rear Inv và Front DSP điều khiển
Front Inv. Hầu hết các hãng biến tần lớn như:
Seimens, Scheneider, LS, Yaskawa … chỉ
sản xuất những biến tần với một ngõ ra ba
pha. Do đó những ứng dụng trong việc điều
khiển hai hay nhiều động cùng lúc trong
những dây chuyền sản xuất hay trong xe điện
sẽ gặp khó khăn vì chúng ta phải lắp nhiều
biến tần khác nhau. Giá thành cũng như là
khối lượng, không gian chiếm chỗ sẽ tăng
theo [2] –[8].
Với xu hướng phát triển công nghệ hiện
nay và tương lai, về cơ bản kết cấu động cơ
không thay đổi nhiều mà người ta tập trung
cải tiến các kỹ thuật điều khiển ứng dụng
điện tử công suất và vi xử lý để có thể điều
khiển động cơ ba pha theo ý muốn một cách
chính xác và sử dụng hiệu quả năng lượng
hơn.
Những ứng dụng điển hình của việc điều
khiển hai động cơ hoặc nhiều động cơ cùng
lúc trong công nghiệp bao gồm: dây chuyền
sản xuất trong nhà máy dệt, nhà máy sản
xuất giấy, xe điện, xe lai điện ..… Tuy nhiên,
những động cơ này được điều khiển bằng
những biến tần độc lập với nhau. Ta thấy để
điều khiển một động cơ ba pha, cần phải sử
dụng một board điều khiển, một mạch lái và
sáu khóa công suất. Để điều khiển hai hoặc
nhiều động cơ cùng lúc, chúng ta phải sử
dụng các bộ biến tần khác nhau. Số lượng
biến tần bằng số lượng động cơ chúng ta
muốn điều khiển. Do đó giá thành cũng như
không gian chiếm chỗ sẽ cao.
Từ những vấn đề trong xe điện, xe lai
điện và những biến tần hiện nay, đề tài này
mong muốn hướng tới đưa ra giải pháp sử
dụng một DSP để điều khiển nghịch lưu ngõ
ra kép.
2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SINE
PWM ( SIN PWM)
Để tạo ra một điện áp xoay chiều bằng
phương pháp Sin PWM, ta sử dụng một tín
hiệu xung tam giác tần số cao đem so sánh
với một điện áp sin chuẩn có tần số f. Nếu
đem xung điều khiển này cấp cho một bộ
biến tần một pha thì đó ngõ ra sẽ thu được
một dạng điện áp dạng điều rộng xung có tần
số bằng với tần số nguồn sin mẫu và biên độ
hài bậc nhất phụ thuộc vào nguồn điện một
chiếu cung cấp và tỉ số giữa biên độ sóng sin
mẫu và sóng mang. Tần số sóng mang phải
lớn hơn tần số của sóng sin mẫu
Trong những năm gần đây, một sự quan
tâm đáng kể trong xe điện (E-Vehicle ) và xe
lai điện (Hybrid E-Vehicle) đã xuất hiện trên
toàn cầu do các vấn đề môi trường cũng như
sự tăng giá xăng dầu. Các bộ biến tần này
giữ chức năng điều khiển các máy nén khí,
máy bơm nước, động cơ chính hoặc máy
phát. Thông thường thì những động cơ này
được điều khiển bằng những biến tần độc lập
với nhau. Xe điện hai động cơ động cơ phía
trước được điều khiển bởi bộ biến tần phía
trước (Front Inv), tương tự động cơ phía sau
được điều khiển với biến tần phía sau (Rear
Inv). Xe điện với sự phối hợp hai động cơ
trước và sau sẽ khắc phục các vấn đề và làm
cho xe hoạt động hiệu quả hơn như: khởi
động nhanh, đi chậm trong lúc kẹt xe và tăng
tốc nhanh. Mặc khác vì hai động cơ này hoạt
động hoàn toàn độc lập với nhau, do đó, độ
tin cậy của hệ thống cũng sẽ cao hơn, khi
Phương pháp này thực hiện dựa trên cơ
sở so sánh hai tín hiệu sóng điều khiển
(control signal) và sóng mang (reference
signal). Sóng mang up có tần số cao hơn
nhiều so với sóng điều khiển ur.
Hình 1. Sơ đồ mạch nghịch lưu Sin PWM
Ba sóng điều khiển ur1, ur2, ur3 là ba sóng
sine cùng tần số, cùng biên độ lệch pha nhau
1200 như hình 2. Các khóa bán dẫn lẻ được
kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng
mang và ngược lại các khóa bán dẫn chẵn
được kích đóng như hình 3.
Điện áp ra của bộ nghịch lưu
Khi Vcontrol > vtri, VAO = Vdc/2 (1)
Khi Vcontrol < vtri, VAO = -Vdc/2 (2)
trong đó:
VAB = VAO – VBO
(3)
(4)
(5)
Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu
ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô
cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết,
giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất
định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải
có mô men không đổi, tỉ số điện áp - tần số
là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt,
quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp là hàm
bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô
men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với
yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô
men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp.
Hài bậc cao bị khử càng nhiều nhưng lại làm
tăng tổn hao. Những linh kiện đòi hỏi thời
gian đóng ngắt nhất định nên việc chọn tần
số sóng mang bị giới hạn. Ở đây ta chọn tần
số sóng mang có giá trị 10kHz.
VBC = VBO – VBO
VCA = VCO – VAO
Tỷ số điều biến biên độ (ma)
biên độ của vcontrol
(6)
ma =
vtri
biên độ của (VAO 1
)
=
VDC
⁄
2
Trong đó, (VA0)1 là thành phần tần số cơ
bản của (VA0)
Tỷ số điều biến tần số (mf)
(7)
fs
mf
f1
Trong đó, fs là tần số PWM và f1 là tần
số cơ bản ,
mf nên là số nguyên lẻ:
Nếu mf không phải là số nguyên thì điện
áp ra có thể có các hài với tần số không
phải là bội của tần số cơ bản
Hình 2. Ba sóng điều khiển Ur1, Ur2, Ur3
(subhamonics).
và sóng mang Up.
Nếu mf không phải số lẻ thì thành phần
một chiều và có thể cả các hài bậc chẵn
cũng tồn tại ở điện áp đầu ra.
Nếu mf là bội của 3đối với bộ nghịch lưu
PWM ba pha thì hài bội lẻ của 3 và các
hài chẵn sẽ bị khử.
3. BỘ NGHỊCH LƯU 5 CHÂN VÀ KĨ
THUẬT ĐIỀU CHẾ PWM BỘ
NGHỊCH LƯU 5 CHÂN
Trong phần này, bộ nghịch lưu 5 chân và
nguyên tắc hoạt động của nó sẽ được trình
bày. Sin PWM sẽ được áp dụng để điều
Hình 3. Giản đồ kích đóng
khóa công suất S1
khiển nghịch lưu 5 chân. Nghịch lưu 5 chân
là sự kết hợp của 2 bộ nghịch lưu 3 pha
thành 1 bộ nghịch lưu. Với một chân chung
để điều khiển 2 tải. Nhằm mục đích tiết kiệm
số linh kiện bán dẫn và số lần đóng cắt trong
mạch. Trong chương 3 cũng giới thiệu kỹ
thuật điều chế Sin PWM cho bộ nghịch lưu 5
chân này [4] –[8].
có tải M1 (Machine 1) kết nối với ba chân
đầu tiên của bộ nghịch lưu năm chân VSI. Ta
có công thức tổng quát của bộ điều biến sóng
mang ba pha, bao gồm cả chuỗi tín hiệu
zero (zero-sequence signal) như hình 5.
3.1 Cấu trúc của bộ chuyển đổi năm chân
Khi hai động cơ được điều khiển bằng
cách sử dụng cùng một bộ nghịch lưu nguồn
áp (VSI) có năm chân để giảm hai bộ chuyển
mạch khi so sánh với mô hình chuẩn của hai
bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) ba pha. Do sự
phức tạp của bộ mạch này nên nó giảm đi số
lần kích đóng của linh kiện và nó có thể điều
khiển hai động cơ ba pha chỉ bằng sử dụng
một DSP. Bộ VSI năm chân cung cấp hai tải
ba pha được mô phỏng như hình dưới:
Hình 5. Mô hình chuẩn của VSI 3 pha.
Tín hiệu điều chế cho bộ điều biên sóng
mang có thể được viết:
vi(t) vt*(t) vno(t)
(8)
Với Vno(t) là chuỗi tín hiệu zero
( được hiểu như là voffset ), i = a,b,c và
vi*(t) là tín hiệu tham chiếu hình sin cơ
bản. Với động cơ 3 pha thứ nhất những
tín hiệu đó được đưa ra với:
va* (t) M10,5Vdc sin(1t)
1
2
3
4
3
vb* (t) M10,5Vdc sin(1t
)
)
(9)
1
vc* (t) M10,5Vdc sin(1t
1
Hình 4. Bộ nghịch lưu năm chân VSI
dùng điều khiển hai động cơ
Với M là tỉ số điều biên, có giá trị bằng
tỷ số giữa giá trị đỉnh của điện áp pha và ½
điện áp DC [ M1 = V1/(0.5Vdc) ]
Hai động cơ đươc nối chung với nhau ở
chân C. Chân A và chân B được kết nối với
pha a1 và b1, tương ứng với động cơ 1
(Machine 1). Tương tự, chân D và E được
kết nối với pha a2 và b2, tương ứng với động
cơ 2 (Machine 2). Điện áp đầu vào VDC
được coi như là giá trị tỉ lệ (có nghĩa đó là
giá trị điện áp mà động cơ có thể đạt được).
Chức năng chuyển đổi mi (i = A, B, C, D, E)
được quy ước khi mi = 1 khi đó các khóa
phía trên sẽ được đóng và khi mi = 0 sẽ ngắt .
Sẽ có 32 trạng thái chuyển mạch của bộ VSI
năm chân để có thể điều khiển hai động cơ
4. MÔ PHỎNG NGHỊCH LƯU 5 CHÂN
ĐIỀU KHIỂN 2 TẢI BẰNG PSIM
Trong phần này phần mềm mô phỏng
PSIM để tạo bộ nghịch lưu 5 chân (10 khóa)
và tạo các khối để điều chế bằng phương
pháp sóng mang Sin PWM kết quả mô phỏng
sẽ đánh giá sự đồng bộ của dòng điện và điện
áp dây ở 2 tải.
3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung
sin cho bộ nghịch lưu 5 chân
Để thuận lợi hơn ban đầu ta giả định chỉ
Hình 8. Điện áp pha của M1,M2.
4.2 Trường hợp 2 tải khác tấn số và lệch
nhau 1 góc 훂
Biên độ và tần số của 2 sóng 3 pha VSI :
M1 = 0.6, f = 50Hz ; M2 = 0.4, f = 30Hz
30
( là góc lệch của 2 nguồn VSI )
Tần số sóng mang = 10k Hz
Hình 6. Mạch tín hiệu và mạch công
suất của bộ nghịch lưu 5 chân
4.1 Trường hợp 2 tải cùng tấn số và lệch
nhau 1 góc 훂:
Biên độ và tần số của 2 sóng 3 pha VSI :
M1 = 0.6, f = 50Hz ; M2 = 0.4, f = 50Hz
30
( là góc lệch của 2 nguồn VSI )
Tần số sóng mang = 10kHz
Hình 9. Dòng điện của M1,M2.
Hình 7. Dòng điện của M1,M2.
Hình 10. Điện áp pha của M1,M2
5. THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ KẾT
QUẢ TRÊN PHẦN CỨNG CỦA BỘ
NGHỊCH LƯU 5 CHÂN
Hình 14. Dòng điện và điện áp dây trên
2 tải ở trường hợp 2.
6. NHẬN XÉT KẾT QUẢ THỰC
NGHIỆM CHO BỘ NGHỊCH LƯU 5
CHÂN:
Hình 11. Sơ đồ khối của bộ nghịch lưu 5
chân
Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy kết
quả gần giống nhau, Tuy nhiên khi thực
nghiệm thì kết quả đo có nhiễu đôi chút có
thể là do nguyên nhân phần lớn do prode
dòng bị nhiễu và điều kiện thực hơn khi xem
xét ở chế độ mô phỏng. Ngoài ra, bộ nghịch
lưu 5 chân phải sử dụng 2 bộ mạch lái và 5
cặp IGBT nên việc tổn hao và nhiễu tín hiệu
điều khiển là không thể tránh khỏi.
Dòng điện dây và điện áp pha của 2 tải
theo thực nghiệm đúng với tần số yêu cầu
trong cả 2 trường hợp cùng tấn số và khác
tần số.
Hình 12. Mô hình thực nghiệm cho bộ
nghịch lưu 5 chân
Độ lớn điện áp dây gần bằng với điện áp
DC đầu vào, đúng theo lý thuyết.
Bên cạnh đó, do hạn chế về kinh nghiệm,
thời gian nên còn 1 số điểm chưa hoàn thành.
Chưa so sánh kết quả với phương pháp khác
như SV PWM, vv…
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn phòng thực
tập Điện Tử Công Suất Trường Đại Học
Bách Khoa Tp.HCM đã giúp đỡ tôi trong
phần thực nghiệm kiểm tra kết quả.
Hình 13. Dòng điện và điện áp dây trên
2 tải ở trường hợp 1
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Văn Nhờ. Điện tử công suất 1. NXB Đại học Quốc gia.
[2] K. Matsuse , H. Kawai , Y. Kouno and J. Oikawa "Characteristics of speed sensorless
vector controlled dual induction motor drive connected in parallel fed by a single
inverter", IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 40, no. 1, pp.153 -161 2004.
[3] M. Jones , D. Dujic , E. Levi , A. Batako and O. Mgaloblishvili "A novel five-leg inverter
PWM technique for two-motor centre-driven winders", Proc.IEEE Elect. Mach. Drive
Conf., vol. 1, pp.254 -259 2007.
[4] S. M. Dehghan , M. Mohamadian , A. Yazdian and F. Ashrafzadeh "A dual-input
dual-output Z-source inverter", IEEE Trans. Power Electron., vol. 25, no. 2, pp.360
-368 2010.
[5] D. Dujic , M. Jones , S. N. Vukosavic and E. Levi "A general PWM method for a
(2n+1)-leg inverter supplying n three-phase machines", IEEE Trans. Ind. Electron., vol.
56, no. 10, pp.4107 -4118 2009.
[6] X. Liu , P. Wang , P. C. Loh and F. Blaabjerg "A compact three-phase
single-input/dual-output matrix converter", IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 59, no.
1, pp.6 -16 2012.
[7] Ramachandra Sekhar, K.; Srinivas, S., "Current ripple analysis in a decoupled SVPWM
controlled dual two-level inverter fed open-end winding induction motor drive", Power
Electronics, Drive Systems and Technologies Conference (PEDSTC), 2011 2nd , vol., no.,
pp.373,378, 16-17 Feb. 2011.
[8] Jayasinghe, S.D.G.; Vilathgamuwa, D.M.; Madawala, U.K., "A Dual Inverter-Based
Supercapacitor Direct Integration Scheme for Wind Energy Conversion Systems", Industry
Applications, IEEE Transactions on , vol.49, no.3, pp.1023,1030, May-June 2012.
Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết):
Họ tên: Hồ Huỳnh Lâm
Đơn vị:
Điện thoại: 0902729880
Email: [email protected]
BÀI BÁO KHOA HỌC
THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ
Bài báo khoa học của học viên
có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn
Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ
Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.
Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý
của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!
Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
8 trang
09/01/2024
19301
Free
Bạn đang xem tài liệu "Sử dụng phương pháp sin pwm cho bộ biến tần 5 chân cung cấp cho 2 tải 3 pha", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- su_dung_phuong_phap_sin_pwm_cho_bo_bien_tan_5_chan_cung_cap.pdf
