Luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của điện áp không sin đến hệ thống biến tần động cơ

Bộ giáo dục đào tạo TRường đại học bách khoa hà nội - Nguyễn Văn Ngoạn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP KHÔNG SIN ĐẾN HỆ THỐNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Trần Văn Thịnh Hà Nội -2012 Bộ giáo dục đào tạo TRường đại học bách khoa hà nội - Nguyễn Văn Ngoạn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP KHÔNG SIN ĐẾN HỆ THỐNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ Chuyên ngành: kỹ thuật điện LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Trần Văn Thịnh Hà Nội -2012 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, Ngày 27 tháng 09 năm 2012 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Ngoạn MỤC LỤC Lời cam đoan Danh mục hình vẽ, đồ thị Mở đầu CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG XOAY CHIỀU THAY ĐỔI TẦN SỐ .4 1.1 Khái quát chung 1.2 Các cấu trúc biến đổi tần số điển hình 1.2.1 Bộ biến tần trực tiếp 1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp .6 1.2.3 Bộ biến đổi ma trận .12 1.3 Điều khiển biến tần kỹ thuật điều chế độ rộng xung 13 1.3.1 Phương pháp điều biến dựa sóng mang CB- PWM 14 1.3.2 Phương pháp điều chế véc tơ không gian 15 1.4 Khái quát phương pháp điều khiển thay đổi tần số 20 1.4.1 Phương pháp điều khiển vô hướng 22 1.4.2 Phương pháp điều khiển vectơ .24 1.5 Kết luận 25 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ….26 2.1 Hệ thống biến tần điều biến độ rộng xung điều khiển ĐCKĐB (PWM)………………………………………………………………………… 26 2.1.1 Phương pháp điều biến độ rộng xung SINPWM……………… .26 2.1.2 Bộ nghịch lưu áp đa bậc…………………………………………… 28 2.1.2.1 Cấu hình dạng diode kẹp………………………………………29 2.1.2.2 Cấu hình dạng cascade……………………………………… 30 2.1.2.3 Cấu trúc dùng tụ thay đổi………………………………………32 2.1.3 Các trạng thái đóng ngắt nghịch lưu áp đa bậc……………….33 2.1.3.1 Tổng quát…………………………………………………… 33 2.1.3.2 Trạng thái đóng ngắt nghịch lưu áp ba bậc……………….34 2.1.3.3 Trạng thái đóng ngắt nghịch lưu áp năm bậc…………… 37 2.2 Mơ hình tốn học động khơng đồng ba pha………… 40 2.2.1 Đặc điểm mô hình tốn học trạng thái động động khơng đồng bộ………………………………………………………………… 40 2.2.2 Phương trình điện áp động khơng đồng ba pha……….43 2.2.3 Phương trình từ thơng………………………………………… 44 2.2.4 Phương trình chuyển động………………………………………47 2.2.5 Phương trình mơ men……………………………………………48 2.2.6 Mơ hình tốn học động khơng đồng ba pha……………….49 2.3 Ảnh hưởng sóng hài lên hoạt động động cơ……………49 2.3.1 Điều hòa bậc cao thời gian .50 2.3.2 Từ trường bậc cao không gian…………………………………51 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP KHÔNG SIN ĐẾN HỆ THỐNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ…………………… 56 3.1 Đặt vấn đề…………………………………………………………56 3.2 Ảnh hưởng điện áp không sin……………………………….57 3.3 Ảnh hưởng tần số…………………………………………….62 3.4 Ảnh hưởng tải……………………………………………… 73 3.5 Ảnh hưởng tần số sóng mang……………………………… 82 Kết luận chung hướng phát triển luận văn Tài liệu tham khảo Phụ lục Danh mục hình vẽ STT Tên hình Trang 1.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát biến tần gián tiếp 1.2 Sơ đồ khối biến tần gián tiếp 1.3 Cấu trúc số chỉnh lưu sử dụng cho biến tần gián tiếp 1.4 Hãm tái sinh giảm tốc độ đột ngột 1.5 Sơ đồ nghịch lưu hai mức 11 1.6 Sơ đồ nghịch lưu ba mức 11 1.7 Cấu trúc tổng quát ký hiệu biến đổi ma trận 12 1.8 Một số cấu trúc khoá chuyển mạch hai chiều 13 1.9 Các kỹ thuật PWM 14 1.10 Sơ đồ nguyên lý động xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) nuôi biến tần nguồn áp 15 1.11 Sơ đồ nối ba cuộn dây vectơ không gian ứng với khả thứ 16 1.12 Tám véc tơ chuẩn ba cặp van bán dẫn biến tần tạo nên 1.13 Thực vectơ us hai véctơ điện áp chuẩn 17 18 1.14 Biểu đồ xung vectơ điện áp thuộc góc phần sáu thứ S1 1.15 Đặc tính điện áp - tần số 19 1.16 Điều khiển theo luật U/f vòng hở 24 23 2.1 Nguyên lý phương pháp điều rộng sin 26 2.2 Sơ đồ dạng điện áp pha phương pháp SINPWM 27 2.3 Nghịch lưu áp bậc dạng diode kẹp 29 2.4 Nghịch lưu áp dạng cascade 31 2.5 Dạng tụ thay đổi 32 2.6 Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha bậc NPC 34 2.7 Trạng thái chuyển mạch điện áp ngõ nghịch lưu bậc 35 2.8 Điện áp nghịch lưu ba bậc 36 2.9 Sơ đồ dạng điện áp pha nghịch lưu áp ba bậc 37 2.10 Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha bậc NPC 38 2.11 Giản đồ xung kích điện áp nghịch lưu áp năm bậc 39 2.12 Mơ hình vật lý động khơng đồng ba pha hai cực dây quấn đấu Y 42 3.1 Đặc tính thực nghiệm động khơng đồng 57 3.2 Kết mô với ảnh hưởng điện áp không sin 58 3.3 Kết mô với ảnh hưởng tần số 62 3.4 Kết mô với ảnh hưởng tải 73 3.5 Kết mơ với ảnh hưởng tần số sóng mang 82 LỜI NÓI ĐẦU Trước đây, hệ thống truyền động có yêu cầu điều chỉnh tốc độ động chiều sử dụng rộng rãi động xoay chiều, việc điều khiển động xoay chiều gặp nhiều khó khăn, chủ yếu yếu tố: - Động xoay chiều phần tử phi tuyến mạnh, phần cảm phần ứng không tách biệt nên khó khăn điều khiển tốc độ mô men - Trong hệ thống truyền động, yêu cầu phải điều khiển sinh mô men vùng tốc độ thấp Ngày nay, động xoay chiều (nhất động khơng đồng rơto lồng sóc) dùng phổ biến cơng nghiệp (vì có nhiều ưu điểm độ tin cậy tốt, giá thấp, trọng lượng nhẹ, kết cấu chắn dễ bảo dưỡng), với dải công suất từ hàng trăm Watts đến hàng vài Megawatts, phận hệ truyền động Ởnước ta năm gần đây, việc sử dụng động không đồng ngày phát triển mạnh Nó vào tất lĩnh vực kinh tế xã hội Các nhà máy sản xuất động hàng năm cho thị trường khoảng 60-70 ngàn động không đồng bộ, chưa kể đến loại động nhập từ nước ngồi Do việc nâng cao chất lượng động hệ thống truyền động biến tần động qua trọng Trên quan điểm đó, luận văn đánh giá, so sánh chất lượng hệ thống biến tần khác Giữa yếu tố ảnh hưởng chủ yếu tới chất lượng hệ thống Bản luận văn bao gồm ba chương: Chương 1: Tổng quan hệ truyền động xoay chiều thay đổi tần số Chương 2: Xây dựng mơ hình hệ thống biến tần -động Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng điện áp không sin đến hệ thống biến tần – động -1- Xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn Thiết bị điện- điện tử trường ĐHBK Hà nội, đặc biệt thầy giáo TS Trần văn Thịnh tận tình giúp đỡ em hồn thành luận văn Do thời gian trình độ có hạn, nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót nhiều vấn đề cịn phải hồn thiện thêm Em mong nhận ý kiến dẫn thầy, ý kiến đóng góp đồng nghiệp -2- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG XOAY CHIỀU THAY ĐỔI TẦN SỐ 1.1 Khái quát chung Sự phát triển cơng nghiệp hóa tự động hoá quốc gia hệ thống truyền động điện (TĐĐ) xoay chiều tần số thay đổi (TSTĐ) tác động đến mạnh Ngày nay, nhờ phát triển công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn công suất lớn ( tranzistor MOSFET, IGBT…) vi mạch sử lý số (DSP), điều chỉnh số (DC) dẫn đến việc sử dụng rộng rãi hệ truyền động điện dùng động xoay chiều việc hình thành hệ thống điều khiển cho loại động Hồ chung vào cơng nghiệp phát triển giới, công nghiệp nước ta có bước phát triển đáng kể, hàng năm sản xuất hàng chục ngàn động cơ, chưa tính số nhập [6] Vì tiềm tiết kiệm lượng từ số động áp dụng kỹ thuật tiết kiệm lượng lớn Có thể nói hệ thống TĐĐ tiêu thụ tới 2/3 tổng lượng điện tiêu thụ công nghiệp, chúng đóng vài trị then chốt việc tiết kiệm lượng Việc tiết kiệm lượng mang lại lợi ích lớn khơng mặt kinh tế mà cịn có tác dụng bảo vệ mơi trường Theo [3], hệ thống TĐĐ xoay chiều (với công suất 400 hp) sử dụng biến đổi tiratron cấp cho động đồng (ĐC ĐB) cực lồi, lắp đặt năm 1932 Hệ TĐĐ TSTĐ lắp đặt nhằm mục đích tiết kiệm lượng Cùng khoảng thời gian (1930), ngành đường sắt Đức dùng biến tần trực tiếp thuỷ ngân (mercury-arc cycloconverter) biến đổi 50Hz thành 16 Hz dùng cho truyền động động xoay chiều dùng -3-