n Trong những năm gần đõy, cựng với sự tiến bộ của cụng nghệ sản xuất cỏc thiết bị bỏn dẫn cỏc bộ biến đổi điện tử cụng suất núi chung và biến tần , núi riờng ngày càng hoàn thiện, khụng
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN BACK–TO–BACK ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ LỀU QUỐC VIỆT HÀ NỘI 2008 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205192721000000 LỜI NÓI ĐẦU Hệ truyền động điện có vai trị quan trọng sản xuất cơng nghiệp, thực nhiệm vụ: biến đổi điện thành quay máy sản xuất đồng thời điều khiển biến đổi dòng lượng theo yêu cầu công nghệ máy dây chuyền sản xuất Trong năm gần đây, với tiến công nghệ sản xuất thiết bị bán dẫn, biến đổi điện tử cơng suất nói chung biến tần nói riêng ngày hồn thiện, khơng đáp ứng độ tác động nhanh, độ xác cao mà cịn góp phần giảm kích thước giá thành hệ Hệ truyền động biến tần ngày sử dụng rộng rãi ngành sản xuất cơng nghiệp, góp phần đáng kể vào việc nâng cao suất lao động hiệu sản xuất Chúng có ưu điểm bật sau: – Điều khiển động đơn giản – Hệ thống làm việc ổn định tin cậy Tuy vậy, biến tần nguồn áp thông thường dùng chỉnh lưu Thyristo Điơt có nhược điểm sau: – Khơng thể trao đổi công suất từ tải lưới – Dịng điện đầu vào biến tần chứa nhiều sóng hài bậc cao làm méo điện áp lưới đồng thời gây nên hệ số cosφ thấp – Cần sử dụng điện trở hãm để tiêu tán lượng dư thừa (khi động làm việc trạng thái hãm) Do cần thiết kế thêm làm mát, làm tăng kích thước biến tần Người ta đưa cấu trúc biến tần sử dụng chỉnh lưu PWM để khắc phục nhược điểm Biến tần gồm hai khối chỉnh lưu nghịch lưu có cấu tạo có chung mạch chiều, thường gọi biến tần Back–to–Back (dựa lưng vào nhau) Biến tần hoạt động bốn góc phần tư nên cịn gọi biến tần góc phần tư (4Q) Việc tập trung nghiên cứu biến tần Back–to–Back để điều khiển động không đồng vấn đề thiết thực, giải vấn đề tồn biến tần thông thường Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn này, đồng ý thầy giáo hướng dẫn TS Phạm Văn Diễn, tác giả chọn đề tài: "Nghiên cứu hệ truyền động biến tần Back–to–Back điều khiển động khơng đồng bộ" Mục đích luận văn: Nghiên cứu lý thuyết hệ biến tần bốn góc phần tư chứng minh lý thuyết mô hệ thống Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng thuật toán điều khiển Mơ hình hóa mơ máy tính để kiểm nghiệm kết nghiên cứu lý thuyết Trong phạm vi luận án, tác giả tập trung nghiên cứu thuật điều khiển biến đổi toàn hệ để đảm bảo: cosφ gần 1, sóng điều hồ nằm vùng cho phép biến tần trao đổi công suất từ tải lưới số trường hợp đặc trưng Nội dung luận văn gồm chương sau: Chương Tổng quan hệ biến tần Back–to–Back Trình bày vấn đề hãm hệ truyền động biến tần thông thường điều khiển động khơng đồng bộ, ảnh hưởng sóng điều hịa bậc cao chỉnh lưu dùng điôt thyristo tới lưới đặc điểm hệ biến tần Back– to–Back điều khiển động không đồng Chương Mô hình động học chỉnh lưu PWM Trình bày nguyên lý hoạt động chỉnh lưu PWM mơ hình toán học CLPWM hệ tọa độ ba pha abc, hệ tọa độ tĩnh α–β hệ tọa độ quay d–q Cuối đưa giới hạn cực tiểu điện áp chiều giới hạn giá trị điện cảm Chương Điều khiển biến đổi phía lưới Trình bày phương pháp điều khiển CLPWM cách ước lượng đại lượng vectơ (vectơ điện áp đầu vào vectơ từ thông ảo) Đưa cấu trúc điều khiển CLPWM theo vectơ điện áp (phương pháp VOC, DPC) theo vectơ từ thông ảo (phương pháp VFOC, VF–DPC) Cuối so sánh ưu nhược điểm cấu trúc điều khiển Chương Điều khiển biến đổi phía động Phân tích phương pháp điều chỉnh tốc độ động khơng đồng Trình bày phương pháp điều khiển vectơ tựa từ thông rôto (FOC) phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC) Cuối so sánh ưu nhược điểm hai phương pháp Chương Mô hệ thống Matlab/Simulink/Plecs Mô hình mơ theo phương pháp điều khiển VOC–DTC VFOC–DTC Trình bày kết mơ hệ biến tần BTB động không đồng điều khiển theo phương pháp VOC–DTC trường hợp khởi động (không tải với tải định mức), trường hợp giảm tốc độ chưa xảy hãm tái sinh giảm tốc độ xảy hãm tái sinh (biến tần làm việc góc phần tư thứ I II) hệ truyền động có tải (biến tần làm việc góc phần tư thứ III IV), ưu điểm bật biến tần BTB làm việc với tải kết luận biến tần BTB có khả làm việc bốn góc phần tư Chương Ảnh hưởng điện trở phía lưới Đánh giá ảnh hưởng điện trở phía lưới R điều khiển chỉnh lưu PWM, tính chọn mơ ảnh hưởng So sánh thành phần trục α, β góc pha γψ vectơ từ thông ảo trường hợp bỏ qua R tính đến R Chương Kết luận số kiến nghị Trình bày khái quát kết đạt được, tồn hướng nghiên cứu đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn hướng dẫn bảo tận tình thầy giáo TS Phạm Văn Diễn giúp tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Bộ mơn Tự động hóa XNCN – Khoa Điện – Trường Đại học Bách Khoa HN Trung tâm Sau đại học tạo điều kiện cho tơi suốt q trình học tập trường Tuy nhiên thời gian trình độ thân cịn có hạn nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận đánh giá, góp ý thầy bạn Hà Nội, tháng 12 năm 2008 Người thực Lều Quốc Việt MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC BẢNG 13 CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 14 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ BIẾN TẦN BACK–TO–BACK ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 15 1.1 Đặt vấn đề 15 1.2 Ảnh hưởng sóng điều hịa bậc cao chỉnh lưu dùng điôt thyristo tới lưới 16 1.2.1 Chỉnh lưu dùng điôt thyristo làm việc nguồn phát dòng điện điều hòa bậc cao 16 1.2.2 1.3 Các biện pháp khắc phục 18 Vấn đề hãm hệ truyền động biến tần nguồn áp thông thường điều khiển động không đồng 19 1.4 1.3.1 Dập lượng diện trở mạch chiều 19 1.3.2 Mắc thêm nghịch lưu để trả lượng lưới 20 Kết luận 20 CHƯƠNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA CHỈNH LƯU PWM 22 2.1 Hoạt động chỉnh lưu PWM 22 2.2 Mơ tả tốn học CLPWM 25 2.3 2.4 2.2.1 Mô tả điện áp đầu vào CLPWM 26 2.2.2 Mơ tả tốn học CLPWM hệ tọa độ ba pha 27 2.2.3 Mơ tả tốn học CLPWM hệ tọa độ tĩnh α–β 28 2.2.4 Mơ tả tốn học CLPWM hệ tọa độ quay d–q 29 Phạm vi giới hạn tham số CLPWM 30 2.3.1 Giới hạn cực tiểu điện áp chiều 30 2.3.2 Giới hạn giá trị điện áp điện cảm 30 Kết luận 30 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA LƯỚI 33 3.1 Phương pháp điều khiển CLPWM 33 3.2 Ước lượng đại lượng vectơ 34 3.2.1 Ước lượng vectơ điện áp đầu vào 34 3.2.2 Ước lượng vectơ từ thông ảo 35 3.3 Cấu trúc điều khiển CLPWM định hướng theo vectơ điện áp 38 3.3.1 Cấu trúc điều khiển CLPWM định hướng theo vectơ điện áp sử dụng đại lượng vectơ điện áp 38 3.3.2 Cấu trúc điều khiển CLPWM theo VFOC 39 3.4 Cấu trúc điều khiển CLPWM theo phương pháp trực tiếp công suất DPC 40 3.5 3.4.1 Ước lượng công suất theo vectơ điện áp 42 3.4.2 Ước lượng công suất theo vectơ từ thông ảo 43 3.4.3 Đặc điểm điều khiển trực tiếp công suất DPC 45 3.4.4 Bộ điều khiển công suất 47 3.4.5 Lựa chọn phân vùng vectơ băng đóng cắt 48 3.4.6 Tổ hợp vectơ điện áp 49 So sánh phương pháp điều khiển 50 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA ĐỘNG CƠ 53 4.1 Đặt vấn đề 53 4.2 Điều khiển vectơ định hướng theo trường rôto FOC 53 4.3 Điều khiển trực tiếp mômen (DTC) động không đồng 58 4.4 4.3.1 Phương pháp DTC sở 59 4.3.2 Phương pháp DTC cải tiến (m_DTC) 63 4.3.3 Phương pháp DTC với bảng chọn 12 sector (12_DTC) 65 So sánh phương pháp điều khiển động không đồng 67 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG TRÊN MATLAB/SIMULINK/PLECS 69 5.1 Mơ hình mơ biến tần Back–to–Back điều khiển phương pháp VOC–DTC phần mềm Matlab/Simulink/PLECS 69 5.2 Mơ hình mơ biến tần Back–to–Back điều khiển theo phương pháp VFOC–DTC 72 5.3 5.4 Kết mô theo phương pháp điều khiển VOC–DTC 73 5.3.1 Quá trình khởi động 74 5.3.2 Quá trình giảm tốc độ 79 5.3.3 Hệ truyền động làm việc với tải 85 Kết luận 90 CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN TRỞ PHÍA LƯỚI 91 6.1 Đánh giá ảnh hưởng điện trở phía lưới điều khiển CLPWM 91 6.2 Bù thay đổi điện trở phía lưới 92 6.3 6.4 6.2.1 Tính tốn điện trở phía lưới 93 6.2.2 Sơ đồ mô 94 Kết mô 95 6.3.1 Giai đoạn bắt đầu khởi động 97 6.3.2 Giai đoạn bắt đầu đạt tốc độ định mức chưa đóng tải 100 6.3.3 Giai đoạn tốc độ ổn định đóng tải 102 Kết luận 104 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ MỘT SỐ KIẾN NGHỊ 105 7.1 Kết luận 105 7.2 Một số kiến nghị 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC 109 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1–1 Biến tần nguồn áp thơng thường 16 Hình 1–2 Bố trí mạch lọc sóng điều hịa bậc cao 18 Hình 1–3 Mạch hãm hệ biến tần–động không đồng bộ, chỉnh lưu điôt 19 Hình 1–4 Biến tần nguồn áp chỉnh lưu thyristo 20 Hình 2–1 Sơ đồ nguyên lý biến tần dùng CLPWM 22 Hình 2–2 Bốn chế độ hoạt động góc phần tư 23 Hình 2–3 Sơ đồ thay giản đồ vectơ CLPWM 24 Hình 2–4a Vectơ điện áp SVPWM 24 Hình 2–4b Trạng thái đóng cắt khóa 25 Hình 2–5 Đồ thị vectơ điện áp-dịng điện CLPWM hệ tọa độ abc, α–β d–q 26 Hình 2–6 Cấu trúc mơ hình mơ tả tốn học CLPWM 27 Hình 2–7 Mơ hình tốn học CLPWM hệ tọa độ tĩnh α–β 28 Hình 2–8 Mơ hình tốn học CLPWM hệ tọa độ quay d–q 29 Hình 2–9 Đồ thị vectơ điện áp CLPWM 30 Hình 2–10 Giới hạn làm việc điện áp CLPWM 31 Hình 3–1 Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu CLPWM 33 Hình 3–2 Hệ truyền động động khơng đồng biến tần CLPWM với phương pháp điều khiển 34 Hình 3–3a Mơ hình động ảo 35 Hình 3–3b Đồ thị vectơ từ thông ảo với CLPWM 36 Hình 3–4 Quan hệ điện áp từ thơng ảo với dịng cơng suất CLPWM 36 Hình 3–5 Sơ đồ cấu trúc ước lượng từ thơng ảo 37 Hình 3–7 Cấu trúc điều khiển CLPWM theo vectơ điện áp VOC 38 Hình 3–8 Cấu trúc mạch vịng điều khiển CLPWM theo VOC 39 Hình 3–9 Cấu trúc điều khiển CLPWM theo vectơ điện áp VFOC 40 Hình 3–10 Cấu trúc điều khiển CLPWM theo DPC 41 Hình 3–11 Khâu ước lượng công suất điện áp 43 Hình 3–12 Cấu trúc điều khiển CLPWM theo VF–DPC 44 Hình 3–13 Khâu ước lượng q, p theo Ψ L 45 Hình 3–14 Sự biến thiên giá trị công suất tức thời 46 Hình 3–15 Bộ điều khiển cơng suất 47 Hình 3–16 Phân vùng vectơ 48 Hình 3–17 Biến đổi vectơ điện áp 50 Hình 4–1 Đồ thị vectơ cho phương pháp điều khiển tựa từ thơng rơto 53 Hình 4–2 Điều khiển tựa theo từ thông rôto trực tiếp 56 Hình 4–3 Mơ hình MHTT từ dòng điện 57 Hình 4–4 Họ đặc tính hệ biến tần–động không đồng điều khiển theo FOC 57 Hình 4–5 Điều khiển mơmen cách quay từ thơng stato 59 Hình 4–6 Mơ tả hàm đóng cắt mạch lực biến tần 59 Hình 4–7 Thay đổi vị trí vectơ Ψ s 60 Hình 4–8 Quỹ đạo vectơ từ thơng stato 61 Hình 4–9 Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp mơmen động KĐB 63 Hình 4–10 Sáu sector phương pháp DTC sở DTC cải tiến 64 Hình 4–11 DTC với 12 sector 65 Hình 4–12 Những thay đổi mômen từ thông theo quỹ đạo từ thông phương pháp 12_DTC 66 Hình 5–1 Mơ hình mơ biến tần BTB điều khiển theo phương pháp VOC–DTC 69 Hình 5–2 Mơ hình mạch lực 70 Hình 5–3 Cấu trúc phần điều khiển DTC 70 Hình 5–4 Cấu trúc phần điều khiển VOC 70