Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần tư động cơ không đồng bộ

17 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN GÓC PHẦN TƢ - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Ngành : TỰ ĐỘNG HOÁ Mã số:23.04.3898 Học viên: TRẦN THỊ NGỌC LINH Ngƣời HD Khoa học : TS TRẦN XUÂN MINH THÁI NGUYÊN - 2012 Số hóa Trung tâm Học liệu Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! http://lrc.tnu.edu.vn/ 18 Chƣơng TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN HỆ BIẾN TẦN- ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 1.1.1 Giới thiệu chung Trong thực tế, để truyền động cho cấu sản xuất ngƣời ta sử dụng động làm cấu chấp hành Trƣớc đây, hệ thống truyền động điện có yêu cầu cao chất lƣợng điều chỉnh tốc độ, thƣờng dùng động điện chiều Tuy nhiên loại động có nhiều nhƣợc điểm so với động điện xoay chiều, nên phƣơng án điều chỉnh tốc độ động xoay chiều đƣợc nghiên cứu đƣa vào ứng dụng nhƣng hạn chế Đến thập kỷ 80 hƣớng nghiên cứu đạt đƣợc thành tựu lớn, từ tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ động điện xoay chiều ngày tăng lên Trong ngành công nghiệp thay hệ thống điều chỉnh tốc độ động chiều hệ thống điều chỉnh tốc độ động xoay chiều Hiện nay, với khả thiết kế điều khiển đại, nhờ cải tiến, ứng dụng không ngừng biến đổi bán dẫn công suất lớn, động dòng xoay chiều trở thành đối tƣợng điều khiển có ƣu vậy, hệ thống truyền động điện sử dụng động xoay chiều nhƣ đối tƣợng thân thiện có nhiều ƣu điểm vƣợt trội Động điện xoay chiều phân làm hai nhóm: động xoay chiều khơng đồng động xoay chiều đồng Trong động xoay chiều khơng đồng có động rotor lồng sóc động rotor dây quấn Trong động xoay chiều đồng có động kích từ nam châm vĩnh cửu (thƣờng loại cực ẩn) động kích từ nam châm điện (cực lồi) Mỗi loại động có ƣu điểm nhƣợc điểm định phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ khơng hồn tồn giống 1.1.2 Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng Để điều chỉnh tốc độ (điều tốc) động không đồng có nhiều phƣơng pháp, chẳng Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 19 hạn nhƣ : (1) Điều chỉnh tốc độ phƣơng pháp giảm điện áp đặt vào cuộn dây stator động cơ; (2) Điều chỉnh tốc độ phƣơng pháp dùng ly hợp trƣợt điện từ; (3) Điều chỉnh tốc độ phƣơng pháp dùng điện trở phụ nối tiếp với cuộn dây rotor động không đồng rotor dây quấn; (4) Điều chỉnh tốc độ phƣơng pháp nối cấp động không đồng rotor dây quấn; (5) Điều chỉnh tốc độ phƣơng pháp thay đổi số đôi cực; (6) Điều chỉnh tốc độ phƣơng pháp thay đổi tần số nhờ biến đổi tần số (phƣơng pháp biến tần); v.v Động không đồng làm việc dựa nguyên lý cảm ứng, khơng có phân ly phần cảm phần ứng Từ thông động mô men hàm phi tuyến nhiều biến Chính mà định hƣớng xây dựng hệ truyền động khơng đồng ngƣời ta thƣờng có xu hƣớng tiếp cận với đặc tính điều chỉnh động điện kích từ độc lập Để đƣa phƣơng pháp chung điều khiển, xét phƣơng trình cân cơng suất động khơng đồng bộ: Pđt = Pcơ + ∆Ps Trong đó: Pđt công suất điện từ truyền từ stator sang rotor Pcơ công suất ∆Ps tổn hao đồng điện trở mạch rotor Nhƣ với mô men tải xác định, muốn điều chỉnh tốc độ động khơng đồng chủ yếu có hai hƣớng điều chỉnh tốc độ đồng bộ, điều chỉnh công suất tổn hao ∆P Dựa vào cách xử lý công suất trƣợt máy điện, hệ thống điều chỉnh tốc độ động không đồng đƣợc phân loại hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trƣợt, hệ thống điều tốc kiểu tái sinh hệ thống điều tốc công suất trƣợt không thay đổi Hiệu suất kiểu đƣợc tăng lên theo thứ tự Dựa vào cách xử lý công suất trƣợt máy điện, hệ thống điều chỉnh tốc độ động không đồng đƣợc phân loại hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trƣợt, hệ thống điều tốc kiểu tái sinh hệ thống điều tốc công suất trƣợt không thay đổi Hiệu suất kiểu đƣợc tăng lên theo thứ tự Số hóa Trung tâm Học lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 20 1) Hệ thống điều tốc tiêu hao cơng suất trƣợt - tồn cơng suất trƣợt chuyển thành nhiệt tiêu hao Ba phƣơng pháp điều tốc (1), (2), (3) kể thuộc loại Hiệu suất hệ thống điều tốc loại thấp chấp nhận tổn thất công suất để đổi lấy việc giảm tốc độ quay (lúc mômen phụ tải không đổi), tốc độ xuống thấp hiệu suất giảm, nhƣng cấu trúc hệ thống đơn giản nhất, đƣợc dùng số trƣờng hợp, ví dụ hệ thống cầu trục 2) Hệ thống điều tốc kiểu tái sinh - phận công suất trƣợt bị tiêu hao đi, phần lớn lại nhờ có thiết bị chỉnh lƣu - nghịch lƣu đƣợc trả lƣới điện xoay chiều chuyển hoá thành dạng để dùng vào việc có ích khác, tốc độ quay thấp công suất thu hồi nhiều, phƣơng pháp điều tốc thứ (4) kể thuộc loại Hiệu suất hệ thống điều tốc loại rõ ràng cao loại hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trƣợt nhƣng phải thêm thiết bị chỉnh lƣu - nghịch lƣu nên lại phải tiêu hao phần công suất 3) Hệ thống điều tốc công suất trƣợt không thay đổi - hệ thống không tránh khỏi tiêu hao công suất dây dẫn rotor, nhƣng tiêu hao công suất trƣợt hầu nhƣ không phụ thuộc vào tốc độ cao hay thấp, hiệu suất cao Phƣơng pháp điều tốc thay đổi số đôi cực phƣơng pháp điều tốc biến tần thuộc loại Phƣơng pháp điều tốc thay đổi số đôi cực phƣơng pháp điều chỉnh có cấp, phạm vi điều chỉnh hẹp, dùng Phƣơng pháp điều tốc biến tần đƣợc ứng dụng rộng rãi cho phép điều chỉnh trơn với phạm vi rộng, có khả xây dựng đƣợc hệ thống điều chỉnh tốc độ động xoay chiều có chất lƣợng cao, thay hệ thống điều chỉnh tốc độ động chiều có khả phát triển Hệ thống điều tốc biến tần động không đồng có phạm vi ứng dụng rộng lĩnh vực công suất, từ công suất cực nhỏ đến công suất lớn (hàng MW) 1.1.3 Hệ thống điều tốc biến tần - động xoay chiều Trong hệ thống điều tốc biến tần cho động xoay chiều vấn đề phải giải thông qua điện áp (hoặc dòng điện) tần số để điều khiển đƣợc mô men Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi công suất truyền động, vào hƣớng điều Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 21 chỉnh mà có loại biến tần phƣơng pháp khống chế biến tần khác Trong thực tế biến tần đƣợc chia làm hai nhóm: Các biến tần biến tần trực tiếp biến tần gián tiếp có khâu trung gian chiều Trƣớc đây, hệ truyền động dùng biến tần trực tiếp chất lƣợng điện áp đầu thấp nên thƣờng dùng lĩnh vực công suất lớn, nơi tiêu hiệu suất đƣợc đặt lên hàng đầu Ngày nay, với phát triển điện tử công suất kỹ thuật vi điều khiển, phƣơng pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lƣợng điện áp cao, giảm ảnh hƣởng xấu đến lƣới điện nên phạm vi ứng dụng ngày đƣợc mở rộng Đƣợc ứng dụng nhiều hệ điều tốc biến tần dùng biến tần gián tiếp, biến tần loại khống chế theo phƣơng pháp khác nhau: điều chế độ rộng xung (PWM); điều khiển vector; điều khiển trực tiếp mô men Biến tần điều chế độ rộng xung (PWM) với việc điều khiển điện áp tần số theo qui luật U1/f1 = const dễ thực nhất, đƣờng đặc tính biến tần tịnh tiến lên xuống, độ cứng tốt, thoả mãn u cầu điều tốc thơng thƣờng, nhƣng tốc độ giảm thấp sụt áp điện trở điện cảm tản cuộn dây ảnh hƣởng đáng kể đến mô men cực đại động cơ, buộc phải tiến hành bù sụt điện áp cho mạch stator Điều khiển Ef/ω1 = const mục tiêu để bù điện áp thông dụng với U1/ω1 = const, trạng thái ổn định làm cho từ thơng khe hở khơng khí khơng đổi ( m = const), từ cải thiện đƣợc chất lƣợng điều tốc trạng thái ổn định Nhƣng đƣờng đặc tính phi tuyến, khả tải mômen quay bị hạn chế Hệ thống truyền động điều khiển Ef/ω1 = const nhận đƣợc đƣờng đặc tính tuyến tính giống nhƣ động chiều kích thích từ độc lập, nhờ thực điều tốc với chất lƣợng cao Dựa vào u cầu tổng từ thơng tồn mạch rotor rm = const để tiến hành điều khiển nhận đƣợc Ef/ω1 = const Trong trạng thái ổn định trạng thái động trì Ef/ω1 = const mục đích điều tốc biến tần điều khiển vec tơ, đƣơng nhiên hệ thống điều khiển phức tạp Dựa kết từ hạng mục nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hƣớng từ trƣờng động khơng đồng bộ” Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 22 F Blaschke hãng Siemens Cộng hoà Liên bang Đức đƣa vào năm 1971, “Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cảm ứng” P.C Custman A.A Clark Mỹ công bố sáng chế phát minh họ, qua nhiều cải tiến liên tục hình thành đƣợc hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày trở nên phổ biến 1.2 SƠ LƢỢC VỀ CÁC BỘ BIẾN TẦN DÙNG DỤNG CỤ BÁN DẪN CÔNG SUẤT 1.2.1 Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) AC AC Biến tần xoay chiều – xoay chiều ~3 U1 , f1 ~3 U2, f2 Hình 1.1: Thiết bị biến tần trực tiếp(xoay chiều - xoay chiều) Cấu trúc thiết bị biến tần trực tiếp nhƣ hình 1.1 Bộ biến đổi dùng khâu biến đổi biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp tần số điều chỉnh đƣợc Do q trình biến đổi khơng phải qua khâu trung gian nên đƣợc gọi biến tần trực tiếp, cịn đƣợc gọi biến đổi sóng cố định (Cycloconverter) Sơ đồ chỉnh lƣu thuận ~3 f1, U1 Sơ đồ chỉnh lƣu ngƣợc ~3 f1, U1 Tải Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hệ biến tần trực tiếp Mỗi pha đầu biến tần trực tiếp đƣợc tạo mạch điện mắc song song ngƣợc hai sơ đồ chỉnh lƣu tiristor (hình 1.2) Hai sơ đồ chỉnh lƣu thuận ngƣợc lần Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 23 lƣợt đƣợc điều khiển làm việc theo chu kỳ định Trên phụ tải nhận đƣợc điện áp xoay chiều u(t) Biên độ phụ thuộc vào góc điều khiển α, cịn tần số phụ thuộc vào tần số khống chế trình chuyển đổi làm việc hai sơ đồ chỉnh lƣu mắc song song ngƣợc Nếu góc điều khiển khơng thay đổi điện áp trung bình đầu có giá trị khơng đổi nửa chu kỳ điện áp đầu Muốn nhận đƣợc điện áp đầu có dạng gần hình sin cần phải liên tục thay đổi góc điều khiển van sơ đồ chỉnh lƣu thời gian làm việc (mỗi nửa chu kỳ điện áp ra); chẳng hạn nửa chu kỳ làm việc sơ đồ thuận, thực thay đổi góc điều khiển α từ П/2 (ứng với điện áp trung bình khơng) giảm dần tới (ứng với điện áp trung bình cực đại), sau lại tăng dần từ lên tới П/2 điện áp trung bình đầu sơ đồ chỉnh lƣu lại từ giá trị cực đại giảm 0, tức làm cho góc thay đổi phạm vi П/2 - - П/2, để điện áp biến đổi theo quy luật gần hình sin, nhƣ hình 1.3 Trong đó, điểm A có α = 0, điện áp chỉnh lƣu trung bình cực đại, sau điểm B, C, D, E góc tăng α dần lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, điểm F với α = П/2 điện áp trung bình Điện áp trung bình nửa chu kỳ hình sin hình vẽ thể nét đứt Sự điều khiển sơ đồ ngƣợc nửa chu kỳ âm điện áp tƣơng tự nhƣ α=π/2 Điện áp đầu α=0 Điện áp trung bình đầu A B ωt C D E F Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu thiết bị biến tần xoay chiều - xoay chiều Trên phân tích đầu pha biến tần xoay chiều - xoay chiều (trực tiếp), phụ tải ba pha, hai pha khác dùng mạch điện đảo chiều mắc song song ngƣợc, điện áp trung bình đầu có góc pha lệch 1200 Nhƣ vậy, sơ đồ chỉnh lƣu dùng loại sơ đồ cầu ba pha biến tần ba pha cần tổng cộng tới 36 tiristor (mỗi nhánh cầu dùng tiristor), dùng loại sơ đồ tia ba pha, phải Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 24 dùng tới 18 tiristor Vì thiết bị biến tần trực tiếp mặt cấu trúc dùng khâu biến đổi, nhƣng số lƣợng linh kiện lại tăng lên nhiều, kích thƣớc tổng tăng lên lớn Do thiết bị tƣơng tự nhƣ thiết bị biến đổi có đảo dịng thƣờng dùng hệ thống điều tốc chiều có đảo chiều nên q trình chuyển mạch chiều dòng điện đƣợc thực giống nhƣ sơ đồ chỉnh lƣu có điều khiển (chuyển mạch tự nhiên), linh kiện khơng có u cầu đặc biệt Ngồi ra, từ hình 1.3 thấy, điện áp đổi chiều đồ thị hình sin điện áp nguồn biến đổi theo nhanh chóng, tần số đầu lớn không vƣợt 1/3 1/2 tần số lƣới điện (tuỳ theo số pha chỉnh lƣu), không, đồ thị đầu thay đổi lớn, ảnh hƣởng tới làm việc bình thƣờng hệ thống điều tốc biến tần Do số lƣợng linh kiện tăng lên nhiều, tần số đầu giảm xuống, phạm vi thay đổi tần số đầu biến tần hẹp (vì bị giới hạn tần số thấp nhất) nên hệ điều tốc đƣợc dùng, số lĩnh vực công suất lớn cần u, i u tốc độ làm việc thấp, chẳng i hạn nhƣ máy cán thép, máy nghiền bi, lò xi măng, t loại máy dùng động tốc độ thấp đƣợc cấp điện biến tần trực tiếp loại bỏ đƣợc hộp giảm tốc cồng kềnh thƣờng dùng Sơ đồ chỉnh lƣu ngƣợc chế độ nghịch lƣu Sơ đồ chỉnh lƣu thuận chế độ chỉnh lƣu Sơ đồ chỉnh lƣu thuận chế độ nghịch lƣu Sơ đồ chỉnh lƣu ngƣợc chế độ chỉnh lƣu tiristor mắc song song thoả mãn đƣợc yêu cầu công suất đầu Bộ biến tần trực Hình 1.4: Sóng hài bậc dòng, áp tải chế độ làm việc khâu biến tần trực tiếp tiếp có số nhƣợc điểm số lƣợng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi tần số không rộng, chất lƣợng điện áp thấp, nhƣng có ƣu điểm hiệu suất cao so với biến tần gián tiếp, điều đặc biệt có ý nghĩa công suất hệ thống điều tốc cực lớn (các hệ thống dùng động công suất đến 16.000 KW) Trên đồ thị dạng sóng (hình 1.4) ta thấy cơng suất tức thời biến tần bao gồm có bốn giai đoạn Trong hai khoảng ta Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 25 có tích điện áp dịng điện biến tần dƣơng, biến tần lấy cơng suất từ lƣới cung cấp cho tải Trong hai khoảng cịn lại ta có tích điện áp dịng điện biến tần âm nên biến tần biến đổi cung cấp lại công suất cho lƣới 1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp Bộ biến tần trực tiếp có ƣu điểm thiết kế với cơng suất lớn đầu hiệu suất cao, nhƣng có số nhƣợc điểm sau: + Chỉ có tạo điện áp xoay chiều đầu với tần số thấp tần số điện áp lƣới + Khó điều khiển tần số cận khơng tổn hao sóng hài động lớn + Độ tinh độ xác điều khiển khơng cao + Sóng điện áp đầu khác xa hình sin Chính đặc điểm mà loại biến tần khác đƣợc đƣa để nâng cao chất lƣợng hệ truyền động biến tần - động xoay chiều, biến tần gián tiếp Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục nhƣợc điểm biến tần trực tiếp Chỉnh lƣu Lọc Nghịnh lƣu + f1, U1 ~ = f2, U2 Ud = ~ Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian chiều có cấu trúc khác nhau, cấu trúc chung đƣợc mơ tả nhƣ hình 1.5 Về có ba khâu chính: Chỉnh lƣu, lọc nghịch lƣu Phụ thuộc vào việc điều chỉnh điện áp đầu mà có ba dạng sau: Bộ biến tần dùng chỉnh lƣu có điều khiển, biến tần dùng chỉnh lƣu không điều khiển nhƣng thêm biến đổi xung áp chiều, biến tần dùng chỉnh lƣu không điều khiển với nghịch lƣu thực điều chế độ rộng xung (PWM) A Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển Bộ biến tần có cấu trúc nhƣ hình 1.6a, điện áp xoay chiều lƣới điện đƣợc biến đổi thành điện áp chiều có điều chỉnh nhờ chỉnh lƣu điều khiển tiristor, khâu lọc Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 26 lọc điện dung điện cảm phụ thuộc vào dạng nghịch lƣu yêu cầu, khối nghịch lƣu sử dụng tiristor transistor Việc điều chỉnh giá trị điện áp U2 đƣợc thực việc điều khiển góc điều khiển chỉnh lƣu, việc điều chỉnh tần số tiến hành khâu nghịch lƣu, nhiên trình điều khiển đƣợc phối hợp mạch điện điều khiển Cấu trúc biến tần loại đơn giản, dễ điều khiển nhƣng khâu biến đổi điện áp xoay chiều thành chiều (đầu vào) sử dụng chỉnh lƣu điều khiển tiristor nên điện áp thấp hệ số cơng suất giảm thấp; khâu biến đổi điện áp dòng điện chiều thành xoay chiều (đầu ra) thƣờng dùng nghịch áp pha tiristor nên sóng hài bậc cao điện áp xoay chiều đầu thƣờng có biên độ lớn Đây nhƣợc điểm chủ yếu loại biến tần ~3 f1, U1 Chỉnh lƣu ~3 Lọc điều khiển Nghịch lƣu f2, U2 a) ~3 f1, U1 Chỉnh lƣu không điều khiển Bộ biến Lọc đổi xung ~3 Lọc Nghịch lƣu f2, U2 Nghịch lƣu PWM ~3 điện áp b) ~3 f1, U1 Chỉnh lƣu không điều khiển Lọc f2, U2 c) Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian chiều a) Biến tần dùng chỉnh lưu điều khiển tiristor b) Biến tần dùng chỉnh lưu khơng điều khiển có thêm biến đổi xung điện áp c) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế PWM B Biến tần dùng chỉnh lưu khơng điều khiển có thêm biến đổi xung điện áp Bộ biến tần xoay chiều gián tiếp dùng chỉnh lƣu không điều khiển kết hợp với biến đổi xung điện áp chiều để điều chỉnh điện áp chiều đầu vào khối nghịch lƣu Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 81 Hình 3.8: Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC - Khâu biến đổi d-q - làm nhiệm vụ biến đổi hệ tọa độ vector điện áp tải qui đổi, đầu nhận đƣợc thành phần vector điện áp tải hệ tọa độ - (us , us ) dùng để điều khiển khâu điều chế độ rộng xung PWM - Khâu điều chế độ rộng xung PWM: Thực tạo xung điều khiển khố đóng cắt mạch lực, khâu hoạt động theo nguyên lý điều chế vector không gian Các điều chỉnh dòng áp đƣợc lựa chọn PI, tín hiệu đặt điều * chỉnh dòng id đƣợc lấy từ đầu điều chỉnh điện áp iq (đƣợc lấy không theo điều kiện hệ số công suất 1) Nhƣ vậy, thực tế, hệ có tín hiệu điều * khiển chung cho chỉnh lƣu tín hiệu đặt điện áp chiều U 3.4.4 Khối điều khiển nghịch lƣu áp dụng ngun lý điều khiển vector Từ mơ hình tốn học ĐK hệ tọa độ MT, dựa vào phƣơng trình áp dụng điều khiển vector, có nhiều giải pháp khác Một phƣơng pháp hay đƣợc áp dụng là: Từ phƣơng trình cân điện áp hệ MT, kết hợp với quan hệ có đƣợc áp dụng định hƣớng từ thông rotor, thực thành lập phƣơng trình mơ tả quan hệ thành phần điện áp dòng điện stator hệ tọa độ MT, làm sở cho việc tính tốn giá trị thành phần điện áp đặt, sau chuyển tọa độ hệ ba pha thu đƣợc giá trị đặt điện áp stator Từ giá trị đặt điện áp, sử dụng nguyên lý điều chế độ rộng xung hình sin (SPWWM) ngun lý điều chế vector khơng gian (ĐCVTKG) để thực việc điều khiển van nghịch lƣu Cấu trúc phần điều khiển nghịch lƣu theo ngun lý đƣợc mơ tả hình 3.9 Các khối điều khiển nhiệm vụ khối hình 3.9: - ĐCTĐQ điều chỉnh tốc độ quay; Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 82 - MHTT mơ hình quan sát từ thơng, có chức tính tốn giá trị từ thơng rotor ( M2) góc vector từ thơng rotor với trục chuẩn ( ); - CTĐi khâu chuyển tọa độ dòng điện stator từ hệ tọa độ sang hệ tọa độ MT; - TH khâu tạo hàm, tạo giá trị đặt từ thông rotor theo giá trị tốc độ góc rotor; - ĐCTT điều chỉnh từ thơng, cho tín hiệu giá trị đặt thành phần sinh từ thơng dịng điện stator hệ tọa độ MT; - ĐCĐ khâu điều chỉnh đa thơng số, có nhiệm vụ tính giá trị đặt thành phần điện áp stator hệ tọa độ MT; - CTĐu khối chuyển đổi tọa độ điện áp từ hệ sang hệ tọa độ MT; - ĐCVTKG khâu điều chế vector khơng gian, tính toán tạo xung điều khiển u*1 , u* ) van nghịch lƣu từ giá trị yêu cầu điện áp stator hệ tọa độ Udc TH ĐCTT '* M2 iA ω iM* iA ĐCD uT* iA ' M2 iA u M* iA φ iM1 iT1 ω* MHTT VR-1 φ φ VR u*1 iA u * iA u *A iu * SPWM B Aiu * C A i 3~ A B C A iA iα1 iβ1 iB CTĐi iT*1 iA ω CTĐu ω ĐK ĐCTĐQ Hình 3.9: Cấu trúc nghịch lưu điều khiển vector định hướng từ thơng rotor Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 83 Chƣơng4 MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN Q - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 4.1 MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA CHỈNH LƢU PWM Để thực q trình mơ đặc tính hệ truyền động biến tần 4Q-ĐK nhằm kiểm nghiệm phân tích lý thuyết chứng minh khả hệ truyền động, trƣớc tiên, tiến hành mơ để kiểm chứng tính ƣu việt chỉnh lƣu PWM, đồng thời để kiểm chứng cấu trúc điều khiển khối chỉnh lƣu PWM 4.1.1 Xây dựng chƣơng trình mơ chỉnh lƣu PWM Dựa vào mơ tả tốn học chỉnh lƣu PWM, phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM cấu trúc tƣơng ứng, ứng dụng phần mềm PLECS MATLAB ta xây dựng đƣợc mơ hình mơ cho chỉnh lƣu PWM Để đánh giá chỉnh lƣu PWM, mô chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp điều khiển phƣơng pháp điều khiển theo VOC Trong phần này, để đánh giá điện áp chiều đầu ra, chất lƣợng dòng điện lƣới hệ số công suất chỉnh lƣu PWM, ta nghiên cứu làm việc chỉnh lƣu với tải điện trở có điều chỉnh Dựa vào cấu trúc trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VOC đƣợc mơ tả hình 2.15, sử dụng phần mềm MATLAB xây dựng đƣợc sơ đồ (chƣơng trình) mơ cho trƣờng hợp nhƣ hình 4.1, hình 4.2 hình 4.3 sơ đồ mơ chi tiết phần điều khiển chỉnh lƣu theo phƣơng pháp VOC (khối “Subsystem”) phần mạch lực (khối “PLECS circuit”) Các thông số nguồn tải xây dựng Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 84 chƣơng trình mơ đƣợc chọn: nguồn xoay chiều ba pha có tần số 50Hz, điện áp pha 220V; giá trị đặt điện áp chỉnh lƣu đầu Udc bắt đầu mô (t = 0) 600V tải điện trở 30 ; t = 0.2s tăng giá trị đặt điện áp chỉnh lƣu lƣợng Udc=100V; t = 0.4s tăng tải cách nối song song thêm vào điện trở tải điện trở khác có giá trị 60 Hình 4.1: Sơ đồ mơ chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 85 Hình 4.2: Sơ đồ mô chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp VOC(khối “Subsytrem”) mơ hình hình 4.1 Hình 4.3: Chi tiết khối “PLECS circuit” mơ hình hình 4.1 4.1.2 Các kết mơ chỉnh lƣu PWM Trên hình 4.4 biểu diễn điện áp chiều sau chỉnh lƣu, từ đồ thị Udc cho thấy, trình khởi động chỉnh lƣu diễn thời gian ngắn, thay đổi giá trị điện áp thay đổi giá trị đặt diễn nhanh, điện áp bám sát giá trị đặt với sai lệch Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 86 khơng đáng kể, điểm cần quan tâm giá trị điện áp chiều đầu cao giá trị điện áp chỉnh lƣu ốt thông thƣờng, điều đáp ứng đƣợc yêu cầu điện áp chiều cao mà không cần phải dùng máy biến áp tăng áp Hình 4.5, 4.6 biểu diễn điện áp dòng điện pha nguồn xoay chiều (pha A) Các đồ thị cho thấy, dòng điện nguồn có dạng gần với hình sin; chế độ khác đạt đƣợc hệ số cơng suất cos =1 (dịng điện trùng pha với điện áp) ua(V), ia(A) Udc(V) 800 400 700 300 600 200 500 400 100 300 -100 200 -200 100 t(s) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -300 -400 t(s) 0.2 0.1 0.3 0.4 0.5 Hình 4.5: Điện áp dịng điện pha A Hình 4.4: Điện áp chiều sau ua(V), ia(A) idc(A) chỉnh lưu PWM điều 400 khiển theo VOC chỉnh lưu PWM điều 35 khiển theo VOC ua 300 200 30 25 ia 100 20 15 -100 10 -200 -300 -400 t(s) 0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 Hình 4.6: Điện áp dịng điện pha A chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC thời gian chu kỳ nguồn Số hóa Trung tâm Học liệu t(s) 0.400 0.417 0.433 Hình 4.7: Dịng chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC thời gian 1/6 chu kỳ nguồn http://lrc.tnu.edu.vn/ 87 4.2 MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN 4Q-ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 4.2.1 Xây dựng sơ đồ mô hệ truyền động phần mềm Matlab Để đánh giá đầy đủ hệ truyền động nhƣ biến tần bốn góc phần tƣ sử dụng chỉnh lƣu PWM, ta tiến hành mô làm việc hệ truyền động biến tần 4Q động xoay chiều không đồng ba pha rotor lịng xóc Trong hệ thống này, phần điều khiển chỉnh lƣu PWM áp dụng phƣơng pháp điều khiển VOC, phần nghịch lƣu sử dụng phƣơng pháp điều khiển vector định hƣớng theo từ thông rotor Phần điều khiển nghịch lƣu đƣợc xây dựng dựa cấu trúc đƣợc mơ tả hình 3.14 có sửa đổi chút quan điểm thực mô làm việc hệ vùng tần số biến tần nằm khoảng từ tần số định mức động trở xuống Với vùng tần số dƣới tần số yêu cầu thực trì từ thơng rotor số, cấu trúc điều khiển chọn giá trị đặt thành phần sinh từ thơng dịng stator số ( i*M1 const ) giá trị đƣợc lựa chọn theo dịng từ hóa động Cấu trúc điều khiển nghịch lƣu trƣờng hợp đƣợc mơ tả hình 4.8 Sử dụng phần mềm PLECS chạy mơi trƣờng MATLAB xây dựng đƣợc sơ đồ (chƣơng trình) mơ hệ truyền động nhƣ hình 4.9, 4.10, 4.11 Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 88 i*M1 const ĐCD u * M1 CTĐu u*A SPWM u* u *T1 VR iT1 * MHTT u *1 i iM1 VR u*B -1 u*C iA i iB iC CTĐi i*T1 ĐCTĐQ Hình 4.8: Cấu trúc điều khiển vector vùng tần số f ≤ fđm Hình 4.9: Sơ đồ mô hệ truyền động điện biến tần 4Q-động khơng đồng ba Số hóa Trung tâm Học liệu pha http://lrc.tnu.edu.vn/ 89 4.2.2 Kết mơ Hình 4.10: Sơ đồ mơ chi tiết phần điều khiển nghịch lưu theo FOC (khối “INVERTER” mơ hình hình 4.9 Hình 4.11: Chi tiết khối “PLECS circuit” mơ hình hình 4.9 4.2.2 Kết mơ Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 90 4.2.2.1 Mơ trình khởi động chế độ hãm tái sinh động Hình 4.11: Chi tiết khối “PLECS circuit” mơ hình hình 4.9 Thực mơ trình khởi động động từ tốc độ khơng đến tốc độ (rad/s) góc 100 rad/s với mơ men tải thay đổi Tại t=1s (khi kết thúc khởi động, thay đổi mô men tải sang âm (tức tác động mô men chiều với chiều quay rotor) để 100 kiểm tra khả làm việc động trạng thái hãm tái sinh Các kết mô 80 đƣợc mô tả hình 4.12 đến 4.14 Từ kết mô cho thấy, tốc độ động đƣợc60 trì theo giá trị đặt mơ men tải đổi dấu (hình 4.12); cịn dịng điện nguồn xoay 40 chiều cấp cho chỉnh lƣu PWM thay đổi pha góc 1800, tức chỉnh lƣu làm việc chế độ nghịch lƣu, thực chuyển cơng suất từ phía động 20 lƣới điện (hình 4.14) với giá trị hệ số cơng suất (cos = -1) Kết mô t (s) 0năng làm chứng minh khả chế độ hãm chế độ1.5 ổn định hệ thống 0.25 việc ở0.5 0.75 tái sinh 1.25 Hình 4.12: Tốc độ góc động khởi động điều chỉnh tải để chuyển chế độ làm việc, với giá trị đặt tốc độ 100 rad/s Hình 4.12: Tốc độ góc động khởi động điều chỉnh tải để chuyển chế độ làm việc, với giá trị đặt tốc độ 100 rad/s Số hóa Trung tâm Học lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 91 Mc (Nm) 10 -2 -4 -6 -8 t (s) -10 0.25 0.5 0.75 1.25 1.5 Hình 4.13: Sự điều chỉnh mô men tải động khởi động chuyển động uLa (V), iLa (A) sang trạng thái hãm tái sinh chế độ tốc độ ổn định (tại t=1s) uLa (V) Thời điểm chuyển chế độ 200 150 100 iLa (A) 50 -50 -100 -150 -200 0.9 t (s) 0.95 1.0 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 Hình 4.14: Điện áp dịng điện lưới pha A cấp cho chỉnh lưu PWM trước sau thời điểm điều chỉnh mô men tải (tại t=1s) để chuyểnchế độ làm việc động từ trạng thái động sang hãm tái sinh 4.2.2.2 Mô trình khởi động điều chỉnh tốc độ Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 92 (rad/s) 100 80 60 40 20 t (s) 0 0.25 0.5 0.75 1.25 1.5 Cũng mơ q trình khởi động động từ tốc độ không đến tốc độ góc 100 Hình 4.15: Tốc độ góc động khởi động điều chỉnh giảm tốc từ 100 rad/s với mô men tải không đổi Tại t=1.2s, thực giảm tốc độ lƣợng 20 rad/s xuống 80 rad/s rad/s để kiểm tra tình trạng làm việc hệ thống điều chỉnh giảm tốc uLa (V), iLa (A) 200 uLa (V) 150 100 iLa (A) 50 -50 -100 -150 -200 0.9 t (s) 0.95 1.0 1.05 1.1 1.15 1.2 Hình 4.16: Điện áp dịng điện lưới pha A cấp cho chỉnh lưu PWM trước sau thời điểm điều chỉnh giảm tốc từ 100 rad/s xuống 80 rad/s (tại t=1s) Kết luận: Từ kết mô số chế độ đặc trƣng chỉnh lƣu PWM hệ Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 93 truyền động biến tần 4Q-động không đồng cho thấy, sử dụng chỉnh lƣu PWM để xây dựng biến tần bốn góc phần tƣ đáp tốt yêu cầu mà mục tiêu đề tài đặt Hệ truyền động có khả đảm bảo làm việc tốt động bốn góc phần tƣ hệ tọa độ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Việc sử dụng chỉnh lƣu tích cực PWM làm khối chỉnh lƣu biến tần cho phep biến tần hệ truyền động động xoay chiều ứng dụng loại biến tần đạt đƣợc nhiều tính ƣu việt mà biến tần thơng thƣờng khác khơng có: - Giảm đến mức thấp sóng hài bậc cao dịng điện lƣới - Có khả tạo đƣợc hệ số cơng suất lƣới điện theo u cầu - Có khả điều chỉnh ổn định tốt điện áp phần chiều, giảm bớt ảnh hƣởng dao động điện áp lƣới điện đến biến tần - Động làm việc đƣợc chế độ, đặc biệt chế độ hãm tái sinh kể chế độ ổn định độ, cho phép áp dụng hệ truyền động biến tần 4Q-động xoay chiều với nhiều loại tải khác nhau, tiết kiệm lƣợng nhiều trƣờng hợp KIẾN NGHỊ - Tiếp tục nghiên cứu hồn thiện để áp dụng vào thực tế Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 94 - Nghiên cứu tìm thêm ứng dụng khác chỉnh lƣu PWM TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Trần Khánh Hà (1997), Máy điện tập 1, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Bùi Quốc Khánh, NguyễnVăn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dƣơng Văn Nghi (2002), Tự động điều chỉnh truyền động điện, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2007), Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Trần Thọ, Võ Quang Lạp (biên khảo); Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện; Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội,2004 Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Trần Xuân Minh, Nguyễn Nhƣ Hiển (2011); Giáo trình tổng hợp hệ điện cơ, Nhà xuất Giáo dục Tiếng Anh C Daoshen and B K Bose (1992), “Expert system based automated selection of industrial AC drives”, IEE IAS Annu Meet Conf Rec., pp 387-392 Mariusz Malinowski (2001), Sensorless Control Strategies for Three Phase PWM Rectifiers, Warsaw, Poland Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 95 P Barrass, M Cade (1999), PWM rectifier using indirect voltage sensing, Proc.IEEElect Power Applicat., 146 (5), 539-544 Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/