Nghiên cứu hệ biến tần đa cấp cầu chữ h nối tầng điều khiển động cơ bơm 2 mw

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN TÙNG NGHIÊN CỨU HỆ BIẾN TẦN ĐA CẤP CẦU CHỮ H NỐI TẦNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƠM MW NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS TRẦN TRỌNG MINH Hà Nội – 2014 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn tốt nghiệp có tên đền tài: Nghiên cứu hệ Biến tần đa cấp cầu chữ H nối tầng điều khiển động bơm MW em thực hướng dẫn thầy giáo TS Trần Trọng Minh Các số liệu kết mơ hồn tồn với thực tế Để hoàn thành luận văn em sử dụng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu có chép hay gian lận em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà nội, ngày 20 tháng năm 2014 Học viên thực Nguyễn Văn Tùng MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA……………………………………………………………………… LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Các yêu cầu kỹ thuật thách thức biến tần trung .3 1.1.1 Yêu cầu phía nguồn cấp 1.1.2 Những thách thức phía động 1.1.3 Các hạn chế phần tử bán dẫn 1.2 Các cấu trúc nghịch lưu sử dụng biến tần đa cấp 1.2.1 Bộ nghịch lưu điốt kẹp – NPC 1.2.2 Bộ nghịch lưu tụ tự 14 1.2.3 Ghép tầng cầu chữ H .17 1.3 Nhận xét .20 CHƯƠNG BIẾN TẦN ĐA CẤP CẦU CHỮ H NỐI TẦNG 21 2.1 Phần chỉnh lưu cấp nguồn DC cách ly .21 2.1.1 Biến áp dịch pha 21 2.1.2 Chỉnh lưu đa xung 26 2.1.3 Sự triệt tiêu sóng hài dòng điện 31 2.2 Nghịch lưu đa cấp cầu H nối tầng với nguồn chiều cách ly 34 2.3 Dịch chuyển điểm trung tính Bypass .42 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG BIẾN TẦN ĐA CẤP CẦU CHỮ H NỐI TẦNG 44 3.1 Điều chế hai cực tính 44 3.2 Điều chế cực tính .46 3.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung sở nhiều sóng mang 48 3.3.1 Phương pháp điều chế dịch pha (PSMM) .49 3.3.2 Phương pháp điều chế dịch mức (LSMM) 50 3.3.3 So sánh phương pháp PWM dịch pha dịch mức 52 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ 55 4.1 Giới thiệu chung động không đồng 55 4.2 Phương pháp điều khiển U/f 57 4.3 Phương pháp điều khiển định hướng trường ( FOC) .59 4.3.1 Phép biến đổi hệ trục tọa độ 59 4.3.2 Mơ hình động không đồng .62 4.3.3 Nguyên lý điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control – FOC).64 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ BIẾN TẦN TRUNG THẾ ĐA CẤP CẦU CHỮ H NỐI TẦNG 72 5.1 Mơ hình máy biến áp dịch pha 72 5.2 Mơ hình khâu PWM cho nghịch lưu CHB mười ba mức .75 5.3 Mô với tải R-L 77 5.4 Mô hệ truyền động sử dụng phương pháp điều khiển FOC .79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 PHỤ LỤC 92 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT APOD : Alternative Phase Opposite Disposition (Các pha xen kẽ đối nhau) CHB : Cascaded H Bridge (Cầu H nối tầng) CM : Common – Mode (Điện áp Common – mode) DC : Direct Current (Nguồn chiều) EMC : Electro Magnetic Compatibility (Tương thích trường điện từ) FOC : Field Oriented Control (Điều khiển định hướng trường) GCT : Gate Commutated Thyristor GTO : Gate Turn off Thyristor IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor LSMM : Level Shifted Modulation Method (Điều chế dịch mức) NPC : Neutural Point Clamped (Điốt ghim) POD : Phase Opposite Disposition (Sắp xếp ngược pha) PSMM : Phase Shifted Modulation Method (Điều chế dịch pha) PWM : Pulse Width Modulation THD : Total Harmonic Distortion (Méo sóng hài) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Trạng thái khóa chuyển mạch pha (pha A) 12 Bảng 1.2 Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) nghịch lưu tụ tự cấp 15 Bảng 1.3 So sánh linh kiện yêu cầu nhánh nghịch lưu đa cấp 20 Bảng 2.1 Tỷ số vòng dây máy biến áp kiểu Y / Z 26 Bảng 2.2 Nguyên lý chuyển mạch van nghịch lưu điện áp cấp .37 Bảng 3.1 So sánh phương pháp PWM dịch pha dịch mức .53 Bảng 5.1 Biên độ góc pha điện áp dây phía đầu cuộn thứ cấp 74 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát biến tần trung Hình 1.2 Sự méo dạng dòng điện điện áp với chỉnh lưu xung 12 xung Hình 1.3 Biến tần cấp điều khiển động điện xoay chiều Hình 1.4 Điện áp common – mode biến tần cấp Hình 1.5 Một pha nghịch lưu N cấp điốt kẹp 10 Hình 1.6 Cấu trúc nghịch lưu điốt kẹp cấp 11 Hình 1.7 Chế độ dẫn nghịch lưu đa cấp điốt kẹp 12 Hình 1.8 Trạng thái chuyển mạch điện áp pha, điện áp dây nghịch lưu cấp điốt kẹp 13 Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc mạch nghịch lưu đa cấp tụ tự .14 Hình 1.10 Bộ nghịch lưu cấu trúc tụ tự cấp 15 Hình 1.11 Chế độ dẫn nghịch lưu cấp tụ tự 16 Hình 1.12 trạng thái chuyển mạch điện áp pha, điện áp dây nghịch lưu cấp tụ tự 16 Hình 1.13 Cấu trúc pha nghịch lưu cầu H nối tầng 18 Hình 1.14 Cấu trúc nghịch lưu cầu H ba pha nối tầng 11 cấp .18 Hình 1.15 Dạng sóng điện áp pha đầu nghịch lưu cầu H nối tầng 11 cấp 19 Hình 2.1 Biến áp dịch pha kiểu Y / Z  23 Hình 2.2 Biến áp dịch pha kiểu Y / Z  25 Hình 2.3 Chỉnh lưu nguồn áp xung 27 Hình 2.4 Dạng sóng chỉnh lưu xung (tải trở) .28 Hình 2.5 Dạng sóng phổ sóng hài chỉnh lưu xung 29 Hình 2.6 Cấu hình chỉnh lưu điốt đa xung .29 Hình 2.7 Một ứng dụng chỉnh lưu 12 xung .30 Hình 2.8 Dạng sóng dịng điện chỉnh lưu 12 xung 31 Hình 2.9 Máy biến áp kiểu ∆/Y .32 Hình 2.10 Ví dụ triệt tiêu sóng hài dịng điện 34 Hình 2.11 Nghịch lưu điện áp ba pha nhiều mức dùng mạch sở cầu pha 35 Hình 2.12 Cấu trúc đặc trưng Cell công suất (cầu H) 36 Hình 2.13 Nghịch lưu cầu H nối tầng cấp 36 Hình 2.14 Quá trình chuyển mạch trạng thái 38 Hình 2.15 Quá trình chuyển mạch từ trạng thái    14  16 40 với dòng i A  (đường nét liền) i A  (đường nét đứt) 40 Hình 2.16 Dạng điện áp cầu H, điện áp pha điện áp dây nghịch lưu cấp cầu H 40 Hình 2.17 Sơ đồ mạch lực biến tần trung đa cấp cầu H nối tầng (13 cấp) 41 Hình 2.18 Dạng sóng điện áp pha đầu biến tần trung đa cấp cầu H nối tầng (13 cấp) 42 Hình 2.19 Điện áp đầu biến tần điều chỉnh góc pha có Cell lỗi 43 Hình 2.20 Trạng thái hoạt động biến tần có cell bị lỗi 43 Hình 3.1 Cấu trúc đặc trưng cầu H 44 Hình 3.2 Điều chế PWM hai cực tính cho nghịch lưu cầu H ( m f  15 , ma  0.8 , f m  60 Hz , f cr  900 Hz ) 46 Hình 3.3 Sóng hài v AB sinh nghịch lưu cầu H với PWM cực tính .46 Hình 3.4 Điều chế PWM cực tính với hai sóng điều chế dịch pha ( m f  15 , ma  0.8 , f m  60 Hz, f cr  900 Hz) 48 Hình 3.5 PWM dịch pha với nghịch lưu mức cầu H ( m f  , ma  0.8 , f m  60 Hz , f cr  180 Hz ) 50 Hình 3.6 Điều chế đa sóng mang dịch mức 51 Hình 3.7 PWM dịch mức với nghịch lưu cấp cầu H nối tầng ( m f  15 , ma  0.8 , f m  60 Hz , f cr  900 Hz ) .52 Hình 3.8 Thành phần sóng hài tương ứng hai phương pháp 53 Hình 4.1 Họ đặc tính động điều chỉnh theo luật U/f 58 Hình 4.2 Hệ trục tọa độ đứng yên abc hệ trục tọa quay đồng dq .60  Hình 4.3 Véc tơ is hệ: (a) – tọa độ tĩnh; (b) – tọa độ dq .61 Hình 4.4 Mạch điện tương đương ứng với trục d q hệ tọa độ .64 Hình 4.5 Định hướng từ thông roto (trục d gắn với vectơ ψr) 65 Hình 4.6 Cấu trúc điều khiển chung FOC 66 Hình 4.7 Sơ đồ cấu trúc điều khiển định hướng tựa từ thông rôto trực tiếp 67 Hình 4.8 Sơ đồ khối khâu tính tốn từ thông rôto .69 Hình 4.9 Sơ đồ cấu trúc điều khiển FOC gián tiếp 70 Hình 5.1 Sơ đồ khối dịch pha  250 máy biến áp dịch pha 72 Hình 5.2 Điện áp đầu vào .73 Hình 5.3 Điện áp đầu phía thứ cấp máy biến áp 73 Hình 5.4 Dạng sóng dịng điện cuộn sơ cấp sử dụng máy biến áp thường 74 Hình 5.5 Dạng dịng điện cuộn sơ cấp sử dụng máy biến áp dịch pha 75 Hình 5.6 Khâu tạo xung cưa cho cầu H 75 Hình 5.7 Dạng sóng xung cưa ( f rc  1000 Hz ) .76 Hình 5.8 Khâu điều chế PWM tạo xung điều khiển cho cầu H 76 Hình 5.9 Dạng sóng điều chế sóng mang tam giác 77 ( ma  0.8 , m f  10 , f s  50 Hz ) 77 Hình 5.10 Xung điều khiển cho cầu H 77 Hình 5.11 Điện áp pha mô với tải R-L 78 Hình 5.12 Điện áp dây đầu mô với tải R-L 78 Hình 5.13 Dịng điện pha mơ với tải R-L 79 Hình 5.14 Sơ đồ khối hệ truyền động sử dụng thuật tốn FOC 80 Hình 5.15 Khâu tính tốn từ thơng Rơto 81 Hình 5.16 Đồ thị điện áp pha sử dụng phương pháp điều khiển FOC 82 Hình 5.17 Đồ thị điện áp dây sử dụng phương pháp điều khiển FOC 82 Hình 5.18 Dịng điện Stato pha A 83 Hình 5.19 Dòng điện Stato ba pha 83 Hình 5.20 Đồ thị dòng điện ba pha 84 Hình 5.21 Đáp ứng Mô men động 84 Hình 5.22 Đáp ứng tốc độ động 85 Hình 5.23 Dịng sinh từ thơng Stato ids 85 Hình 5.24 Dịng sinh mơmen iqs 86 Hình 5.25 Góc từ thơng Rơto  f 86 Hình 5.26 Độ lớn từ thông r .87 Hình 5.13 Dịng điện pha mô với tải R-L  Nhận xét: Kết mô chạy với tải RL cho dạng điện áp dịng điện có chất lượng đẹp gần dạng sin Vì biến tần nguồn áp nên điện áp không phụ thuộc vào tải 5.4 Mô hệ truyền động sử dụng phương pháp điều khiển FOC - Thông số động cơ: Pdm  1800kW , U dm  6kV , f n  50 Hz Rs  0.7 , Lls  0.02546 H , R'r'  0.7 , L'lr  0.02546 H , Lm  0.5756 H J qđ  170kg.m , F  0.008141N m.s , p  - Thông số điều khiển PI: Bộ điều chỉnh tốc độ: K P  1187.5 , K I  363600 Bộ điều chỉnh dòng ids : K P  0.2 , K I  0.5 Bộ điều chỉnh dòng iqs : K P  , K I  50 79 Hình 5.14 Sơ đồ khối hệ truyền động sử dụng thuật tốn FOC 80 Hình 5.15 Khâu tính tốn từ thơng Rơto 81 Hình 5.16 Đồ thị điện áp pha sử dụng phương pháp điều khiển FOC Hình 5.17 Đồ thị điện áp dây sử dụng phương pháp điều khiển FOC 82 Hình 5.18 Dịng điện Stato pha A Hình 5.19 Dịng điện Stato ba pha trạng thái xác lập 83 Hình 5.20 Đồ thị dịng điện ba pha Hình 5.21 Đáp ứng Mơ men động 84 Hình 5.22 Đáp ứng tốc độ động Hình 5.23 Dịng sinh từ thơng Stato ids 85 Hình 5.24 Dịng sinh mơmen iqs Hình 5.25 Góc từ thơng Rơto  f 86 Hình 5.26 Độ lớn từ thông r  Nhận xét: - Ta thấy khoảng từ đến 10s động khởi động đến tốc độ định mức sau ta đưa mơ men tải vào Từ thông Stato mômen điện từ bám theo giá trị đặt khoảng thời gian ngắn với sai lệch nằm vùng cho phép - Trong suốt q trình hoạt động từ thơng giữ khơng đổi dịng sinh từ thơng khơng đổi - Kết mơ khẳng định tính đắn việc nghiên cứu sở lý thuyết 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thời gian làm việc nghiêm túc, với giúp đỡ tận tình thầy giáo Ts Trần Trọng Minh luận văn hoàn thành thời gian Luận văn giải nội dung yêu cầu ban đầu gồm: Chương 1: Chương giới thiệu yêu cầu, thách thức biến tần trung giới thiệu cấu trúc, ưu nhược điểm cấu trúc nghịch lưu biến tần trung Chương 2: Giới thiệu tổng quan biến tần đa cấp cầu H nối tầng Chương 3: Giới thiệu phương pháp điều chế sử dụng cho biến tần đa cấp, bao gồm phương pháp điều chế dịch pha, dịch mức So sánh ưu nhược điểm phương pháp điều chế Chương 4: Chương giới thiệc phương pháp điều khiển động xoay chiều không đồng Các phương pháp điều khiển thông thường giới thiệu chương Chương 5: Mô biến tần đa cấp cầu H nối tầng sở lý thuyết nghiên cứu Phần mềm Matlab Simulink dùng cho việc mô Như vậy, luận văn giải yêu cầu đặt là: Nghiên cứu biến tần đa cấp cầu chữ H nối tầng, mạch lực, phương pháp điều chế độ rộng xung, phương pháp điều khiển hệ truyền động biến tần Tuy nhiên phương pháp điều chế PWM tồn nhược điểm sau: không sử dụng hết khả điện áp áp chiều mmax  , đáp ứng nghịch lưu không đủ nhanh Phương hướng phát triển đề tài cải thiện chất lượng phương pháp điều chế sử dụng thuật toán điều chế biến thể điều chế véctơ không gian, lọc phương pháp điều khiển điều khiển hệ thống truyền động công suất lớn Mặc dù cố gắng, nhiên thời gian lực hạn chế nên luận văn khỏi sai sót Tác giả mong nhận đóng góp ý kiến 88 thầy cô để luận văn hoàn thiện hơn, tiến tới khả ứng dụng vào thực tế Hà nội, ngày….tháng… năm 2014 Học viên Nguyễn Văn Tùng 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Phạm Quốc Hải (2005), Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab Simulink, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2006), Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh [4] Bin Wu, High-Power Converters and AC Driver, NJ: John Wiley&Sons, 2006 [5] Minakhi Behera (2010), Cascaded Multilevel Inverter Based Transformerless Traction Drive for Railway Applications [6] Mouzhi Dong (2007), A novel digital modulation scheme for multilevel cascaded H-bridge inverters in high power AC drivers [7] Luis Carlos Giraldo Vasquez (2010), Control of a Variable Speed Drive With a Multilevel Inverter for subsea applications [8] Esra Ozkentli (2012), High Frequency Effects of Variable Frequency Drives (VFD) on Electrical Submersible Pump (ESP) Systems [9] Joable Andrade Alves, Gilberto da Cunha and Paulo Torri (2010), Medium Voltage Industrial Variable Speed Drives [10] Keith Corzine (2005), Operation and Design of Multilevel Inverters [11] Muhammad H.Rashid, Power Electronics Handbook, Academic Press [12] Siemens (2004), Starup and Advandced topics manual for air cooled Perfect Harmony Series [13] Seyed Saeed Fazel (2007), Invesgation and Comparison of Multolevel Converter for Medium Voltage Applications 90 [14] Yaskawa Electric America (2005), Motor Bearing Current Phenomenon and 3Level Inverter Technology [15] Yashobanta Panda (2002), Analysis of Cascaded Multilevel Inverter Induction Motor Drivers 91 PHỤ LỤC Thông số động cơ: Mô tả Giá trị danh định Đơn vị Công suất định mức 1800 kW Tốc độ định mức 960 Vịng/phút Mơ men qn tính 170 Nm / s Hệ số công suất: Đầy tải 0.86 ¾” 0.872 ½” 0.868 Điện áp định mức kV Dòng điện định mức 210.5 A Tần số định mức 50 Hz Mô men tới hạn 32231 Nm Mô men động đầy tải 17907 Nm Tính tốn thơng số động cơ: Tốc độ đồng bộ: v1  60 f 60.50   1000 (vòng/phút) p Hệ số trượt định mức: sđm  v1  vđm 1000  960   0.04 v1 1000 Với động công suất lớn ta có: M đm  M th  32231  sđm sth 0.04 sth   sth sđm sth 0.04 Suy ta có: sth 0.04   3.6  , nghiệm phù hợp phương trình sth  0.132 0.04 sth Ta lại có: 92 (1) M th  3.U f 2.1 X nm , suy ra: X nm 6000 3 3.U    5.333 2.1.M th     50  32231 f (2) Từ (1) (2) ta có: R2'  X nm  sth  0.704 Tổng trở pha: Z p  Mặt khác: Z p  U1đm 6000   16.5 3I1đm  210 jX m R' Rs  r  jX nm s Suy ra: Re{ Z p }= Z p cos   (3) Rr' sđm  Rr'   X     1  nm   X m  sđm   Xm  Thay Z p , cos  , Rr' , sđm , X nm vào (4) giải ta được: X m  60.28 X nm  X ls  X lr =5.333 () với X m  60.28 giải ta được: X ls  X lr  0.02546( H ) , Lm  0.5756 ( H ) Rs  Rr '  0.704 () 93 (4) ... biến tần đa cấp cầu chữ H nối tầng Chương 4: Phương pháp điều khiển h? ?? thống truyền động biến tần – động Chương 5: Mô đánh giá biến tần đa cấp cầu chữ H nối tầng Được h? ?ớng dẫn tận tình thầy giáo... cứu biến tần đa cấp có cấu trúc cầu H nối tầng 20 CHƯƠNG BIẾN TẦN ĐA CẤP CẦU CHỮ H NỐI TẦNG Biến tần kết nối nguồn điện lưới động điện, chúng sử dụng để điều khiển động Biến tần phải có khả điều. .. nối h? ?nh cuộn dây kết nối h? ?nh tam giác cấp cho hai mạch nghịch lưu cầu H riêng biệt, nối tầng phía đầu Những nghịch lưu cầu H nối tầng kết nối với pha động ba pha H? ?nh 2. 7 Một ứng dụng chỉnh