Nghiên ứu chế độ làm việc của biến tần có khả năng truyền công suất hai chiều

Các ký hiệu xt, x Giá trị tức thời X*, x* Giá trị đặt α Góc pha của vector chuẩn λ Hệ số công suất ϕ Góc pha dòng điện ω Vận tốc góc ψ Góc pha ε Góc pha điều khiển cos ϕ Hệ số công suất

Bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội -

luận văn thạc sĩ khoa học

nghiên cứu chế độ làm việc của biến tần

có khả năng truyền công suất hai chiều

ngành : tự động hoá xncn m số :

chu thành công

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Văn Liễn

hà nội - 2008

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan b¶n luËn v¨n nµy ®−îc thùc hiÖn bëi chÝnh b¶n th©n t«i d−íi sù h−íng dÉn cña PGS.TS NguyÔn V¨n LiÔn cïng víi c¸c tµi liÖu ® ®−îc trÝch dÉn trong phÇn tµi liÖu tham kh¶o ë phÇn cuèi b¶n luËn v¨n

Chu Thµnh C«ng

Lời cảm ơn

Để hoàn thành được Luận văn này, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi cũng nhận

được sự giúp đỡ rất quý báu của các thầy cô giáo trong Bộ môn Tự động hoá XNCN, trường ĐHBK Hà Nội và đặc biệt là sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy giáo, PGS.TS Nguyễn Văn Liễn

Vì vậy, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cơ giáo trong bộ môn Tự động hoá XNCN trường ĐHBK Hà Nội Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Liễn đ dành nhiều thời gian và công sức để hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thu thập tài liệu, số liệu, hướng nghiên cứu, thiết kế để tôi có thể hoàn thành được đề tài này Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình tôi, bạn bè, đồng nghiệp và người thân đ hết lòng động viên, ủng hộ, giúp đỡ về cả tinh thần và vật chất, kinh nghiệm để tôi có thể chuyên tâm nghiên cứu

Do thời gian có hạn, có nhiều khó khăn về tài liệu thiết bị thực nghiệm và trình

độ bản thân còn hạn chế nên bản luận văn này vẫn còn có nhiều thiếu sót Tôi rất mong nhận được ý kiến góp ý quý báu của các thầy cô giáo, đồng nghiệp để bản luận văn này được hoàn thiện thêm

Hà Nội, tháng 10 năm 2008

Học Viên

Chu Thành Công

Mục Lục Trang phụ bìa

Lời cam đoan

1.2 Vấn đề ảnh hưởng của các BBĐ lên lưới cung cấp 4 1.2.1 Sóng điều hoà của dòng điện lưới 4 1.2.2 Hệ số công suất của các bộ chỉnh lưu có điều khiển 6 1.2.3 Hiệu suất bộ chỉnh lưu 8 1.2.4 Các phương pháp giảm ảnh hưởng bộ biến đổi lên lưới cung cấp 8

1.3.1 Vấn đề hm tái sinh đối với các loại biến tần công nghiệp 9 1.3.2 Khái niệm, cấu trúc biến tần 4Q 12 1.3.3 Đặc điểm của biến tần 4Q 13 1.4 Lý luận hệ thống truyền động xoay chiều ba pha bốn góc phần tư 14

Chương 2: Chỉnh lưu tích cực trong biến tần 4Q

2.2.1 Chỉnh lưu dùng điốt và thyristor 21 2.2.2 Các sơ đồ chỉnh lưu dùng IGBT 22 2.3 Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu tích cực sử dụng trong biến tần 4Q 23 2.4 Mô hình toán học của bộ chỉnh lưu PWM 25

2.4.2 Mô hình mạch cầu nghịch lưu PWM 27

2.4.3 Mô hình của mạch trung gian một chiều 33 2.5 Vấn đề chuyển mạch của chỉnh lưu tích cực trong chế độ động cơ

2.5.1 Mạch chỉnh lưu trong chế độ thuận (công suất từ nguồn > tải) 34 2.5.2 Mạch chỉnh lưu trong chế độ ngược (công suất từ tải > nguồn) 39

Chương 3: Nghịch lưu độc lập trong biến tần 4Q

3.1 Giới thiệu về nghịch lưu độc lập 45 3.2 Nguyên lý cơ bản của mạch nghịch lưu 45 3.3 Một số sơ đồ nghịch lưu độc lập ba pha 46 3.3.1 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng 3 pha 46 3.3.2 Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp 3 pha 48 3.4 So sánh tương đối các phần tử bán dẫn công suất và lựa chọn sơ

3.5 Vấn đề chuyển mạch của nghịch lưu áp trong các chế độ làm

3.5.1 Mạch nghịch lưu trong chế độ động cơ 51 3.5.2 Mạch nghịch lưu trong chế độ tái sinh 59

Chương 4: Mô phỏng kiểm nghiệm các chế độ làm việc hệ biến tần - ĐKB

4.1 Mô hình động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc qui đổi về stator 64 4.2 Mô phỏng hệ biến tần – ĐKB ở chế độ động cơ 66 4.2.1 Nguyên lý làm việc của máy điện KĐB ở chế độ động cơ 66

4.3.4 Phân tích, nhận xét 73

Chương 5: Điều khiển biến tần 4Q

5.1 Phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía động cơ 76 5.1.1 Tổng quan về các phương pháp điều khiển bộ BĐPĐC 76 5.1.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC) 80 5.2 Phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía lưới 86 5.2.1 Khái quát các phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía lưới 86 5.2.2 Các phương pháp điều khiển tựa theo vectơ điện áp lưới (VOC)

5.2.3 Các phương pháp điều khiển công suất trực tiếp dựa theo vectơ

điện áp (DPC) và dựa theo vectơ từ thông ảo VF-DPC 93 5.2.4 So sánh các phương pháp điều khiển bộ BĐPL 96 5.2.5 Phương pháp DPC điều khiển bộ biến đổi phía lưới 98

DANH MụC CáC Ký HIệU Và CHữ VIếT TắT

t Giá trị thời gian tức thời

v(t), v Giá trị điện áp tức thời

ψL Vector từ thông ảo

ψL α Thành phần vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ α - β

ψL β Thành phần vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ α - β

ψLd Thành phần vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d - q

ψLq Thành phần vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d - q

uL Vector điện áp lưới

uL α Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ að - bð

uL β Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ að - bð

uLd Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q

uLq Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q

iL Vector dòng điện lưới

iLα Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ að - bð

iLβ Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ að - bð

iLd Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d - q

iLq Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d - q

uS, uconv Vector điện áp vào bộ chỉnh lưu

uS α Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ að - bð

uS β Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ að - bð

uSd Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ d - q

uSq Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ d - q

udc Giá trị điện áp một chiều

idc Giá trị dòng điện một chiều

Sa,Sb,Sc, Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi

2 Các chữ viết tắt

ĐKB Động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc

BĐPĐC Bộ biến đổi phía động cơ

BĐPL Bộ biến đổi phía lưới

VTTTA Vectơ từ thông ảo

C Giá trị tụ điện

I Giá trị hiệu dụng của dòng điện

DSP Vi xử lý tín hiệu số (viết tắt của Digital Signal Processor)

4Q Bốn góc phần tư (viết tắt của Four(4) Quater)

DTC Điều khiển trực tiếp mômen (viết tắt của Direct Toque Control)

FOC Điều khiển tựa từ trường (viết tắt của Field Oriented Control)

PF Hệ số công suất (viết tắt của Power Factor)

PWM Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse Width Modulation)

VOC ð ềi u khi n t a theo i n áp lể ự ủ ệ ưới (vi t t t c a Vế ắ ủ oltage Oriented Control)

VFOC Điều khiển tựa theo vectơ từ thông ảo (viết tắt của Virtual Flux Oriented

abstract

In almost inverters, there is a DC bus with rectifiers using diodes or thyristors Those rectifier types are the source of harmonic pollution into the power system They are causes of line voltage distortion, lower power factor and undirectional power flow

4Q inverter is researched and developed to reduce all these drawbacks of traditional inverters The main advantage of this inverter is using the active rectifier with PWM technique and Direct power control (DPC) control algorithm, to be able

to satisfy about sinusoidal input currents, controllable power factor, bidirectional power flow and high quality DC output voltage

This thesis considers the operating in two modes of inverter (motor mode and regen mode) The focus is analysis the status of semiconductor switches in rectifier and inverter circuit Then, researching the best control algorithm

This thesis consist of six chapters:

Chapter 1 is an introduction of 4Q inverter

Chapter 2 is to be focus PWM rectifier

Chapter 3 analyses the inverter

Chapter 4 simulates status of semiconductor switches

Chapter 5 introduces control algorithm

Chapter 6 simulates system control

Keywords: PWM rectifier, frequency converter, inverter, DTC, DPC,

Tóm tắt Hầu hết tất cả các biến tần trong công nghiệp có chứa khâu trung gian một chiều sử dụng chỉnh lưu điốt hoặc thyristor là nguồn phát các sóng hài bậc cao dòng

điện lên lưới gây xấu dạng điện áp lưới, hệ số cosϕ thấp và không có khả năng truyền công suất theo hai chiều

Biến tần 4 góc phần tư được nghiên cứu và ứng dụng nhằm khắc phục các nhược điểm trên u điểm chính của biến tần 4Q là sử dụng khâu chỉnh lưu tích cực ưtheo luật điều khiển PWM, có khả năng đáp ứng được các yêu cầu đặt ra về hệ số công suất, chất lượng điện áp và dòng điện lưới, khả năng trả năng lượng về nguồn

Nội dung luận văn nhằm vào việc nghiên cứu các chế độ làm việc khác nhau của biến tần 4Q Trong đó, tập trung phân tích các chế độ chuyển mạch của các van công suất trong mạch nghịch lưu và chỉnh lưu tương ứng với các chế độ động cơ và hFm tái sinh trả năng lượng của hệ thống Từ đó, nghiên cứu các thuật điều khiển phù hợp, đạt hiểu qua cao nhất

Luận văn được chia thành các phần chính sau đây:

Phần 1: Giới thiệu tổng quan về biến tần 4 góc phần tư

Phần 2: Tập trung phân tích mạch phần cứng khối chỉnh lưu PWM trong biến tần 4Q, các chế độ chuyển mạch của các van công suát trong mạch chỉnh lưu ở các chế độ làm việc khác nhau

Phần 3: Phân tích mạch phần cứng khối nghịch lưu độc lập nguồn điện áp dùng trong biến tần 4Q, các chế độ chuyển mạch của các van công suất trong các chế độ làm việc khác nhau Phần 4: Tiến hành mô phỏng kiểm nghiệm các chế độ làm việc của hệ biến tần - động cơ không đồng bộ, so sánh kết quả đạt được với các phân tích lý thuyết

Phần 5: Giới thiệu về phương pháp điều khiển biến tần 4Q

Phần 6: Mô phỏng phương pháp điều khiển

Lời mở đầu

Trước tình hình an ninh năng lượng trong nước nói riêng và thế giới nói chung đang trong tình trạng báo động thì vấn đề tiết kiệm năng lượng đang trở nên nóng bỏng hơn bao giờ hết Trong công nghiệp cũng vậy, các hệ thống truyền động

cũ lạc hậu đang được thay bằng những hệ thống mới tin cậy, hiệu quả hơn nhằm đạt

được yêu cầu về chất lượng hệ thống và tiết kiệm năng lượng

Một trong những hệ thống truyền động được nói đến nhiều nhất là hệ truyền

động xoay chiều 4 góc phần tư, mà trong đó trọng tâm là Biến tần 4Q hay biến tần

Mục đích của đề tài là nghiên cứu chế độ chuyển mạch của biến tần trong các chế độ khác nhau nhằm thiết lập thuật toán điều khiển hợp lý

Luận văn gồm các phần sau đây:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về biến tần 4 góc phần tư

Chương 2: Tập trung phân tích mạch phần cứng khối chỉnh lưu PWM trong biến tần 4Q Chương 3: Phân tích mạch phần cứng khối nghịch lưu độc lập nguồn điện áp dùng trong biến tần 4Q

Chương 4: Tiến hành mô phỏng kiểm nghiệm các chế độ làm việc của hệ biến tần - động cơ không đồng bộ

Chương 5: Giới thiệu về phương pháp điều khiển biến tần 4Q

Chương 6: Mô phỏng phương pháp điều khiển

Chương 1: Tổng quan về biến tần 4 góc phần tư

Nội dung:

1.1 Biến tần bán dẫn

1.1.1 Biến tần trực tiếp

1.1.2 Biến tần gián tiếp

1.2 Vấn đề ảnh hưởng của các BBĐ lên lưới cung cấp

1.2.1 Sóng điều hoà của dòng điện lưới

1.2.2 Hệ số công suất của các bộ chỉnh lưu có điều khiển

1.2.3 Hiệu suất bộ chỉnh lưu

1.2.4 Các pp giảm ảnh hưởng bộ biến đổi lên lưới điện cung cấp 1.3 Biến tần 4 góc phần tư

1.3.1.Vấn đề hm tái sinh đối với các loại biến tần công nghiệp 1.3.2 Khái niệm, cấu trúc biến tần 4Q

1.3.3 Đặc điểm của biến tần 4Q

1.4 Lý luận hệ thống truyền động xoay chiều ba pha bốn góc phần tư 1.5 Tóm tắt chương 1

1.1 Biến tần bán dẫn

Bộ biến tần (BBT) là thiết bị biến đổi năng lượng điện từ tần số công nghiệp (50Hz) sang nguồn có tần số thay đổi cung cấp cho động cơ xoay chiều

Trong thực tế các biến tần chia làm hai loại lớn:

1.1.1 Biến tần trực tiếp (cycloconverter)

Có sơ đồ cấu trúc rất đơn giản, điện áp vào xoay chiều U1(tần số f1) chỉ cần qua một mạch van là chuyển ngay ra tải với tần số khác

Hình 1.1 Sơ đồ khối biến tần trực tiếp Biến tần này có hiệu suất biến đổi năng lượng cao Tuy nhiên thực tế sơ đồ mạch van khá phức tạp, có số lượng van lớn, nhất là với mạch ba pha Việc thay đổi tần số ra f2 khó khăn và phụ thuộc vào tần số f1 Vì vậy hiện nay chủ yếu chỉ có biến tần loại này với phạm vi điều chỉnh tần số f2 ≤ f1 Mặc dù về nguyên tắc có thể lập biến tần với f2 > f1 song mức độ phức tạp sẽ tăng lên nhiều

Trong biến tần trực tiếp đường cong điện áp đầu ra là đường ghép nối các

đoạn hình sin của điện áp nguồn bằng cách nối tải vào các pha của nguồn một cách luân phiên nhờ các van bán dẫn Các van bán dẫn trong biến tần trực tiếp được chuyển mạch tự nhiên

Biến tần trực tiếp có hiệu suất cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng và cho phép thực hiện hm tái sinh năng lượng mà không cần có mạch điện phụ Cũng

có thể dễ dàng thực hiện điều chỉnh điện áp và tần số đầu ra của biến tần trực tiếp với dạng sóng điện áp gần hình sin

Tuy nhiên biến tần trực tiếp cũng có các nhược điểm dễ nhận thấy như :hệ số công suất thấp, số lượng các van bán dẫn ở mạch lực khá nhiều và tần số điều chỉnh

bị giới hạn trên bởi tần số nguồn cung cấp và điều kiện chuyển mạch tự nhiên của các van bán dẫn này

Biến tần trực tiếp hay được dùng cho truyền động điện công suất lớn, tốc độ làm việc thấp

Trong biến tần trực tiếp chuyển mạch tự nhiên mỗi nửa sóng điện áp đầu ra

được hình thành bởi một số nguyên lần các khoảng dẫn của các van thyristor, vì vậy tần số thành phần cơ bản của dòng điện tải được lấy các giá trị gián đoạn Về

BT

nguyên tắc cũng có thể điều chỉnh trơn tần số điện áp ra, tuy vậy khi này thường xuất hiện sự mất đối xứng giữa nửa sóng âm của chu kỳ dòng điện và điện áp ở các tần số không phải là một ước số của tần số nguồn có thể xuất hiện biến điệu tần số thấp

1.1.2 Biến tần gián tiếp

Biến tần gián tiếp là thiết bị biến đổi tần số có khâu trung gian một chiều Trong biến tần này điện áp xoay chiều tần số f1 đầu tiên được chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, sau đó qua một bộ lọc rồi mới được biến trở lại điện áp xoay chiều tần số f2 Việc phải biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệu suất biến tần Song bù lại loại biến tần này cho phép thay đổi dễ dàng tần số f2 không phụ thuộc f1 trong một dải rộng cả trên và dưới f1 vì tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạch

điều khiển Hơn nữa với sự ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý và dùng van lực là các loại transitor đ cho phép phát huy tối đa các ưu điểm các biến tần loại này Vì vậy đại đa số các biến tần hiện nay là biến tần có khâu trung gian một chiều Tuy nhiên nếu dùng van thyristor, vẫn còn có một số khó khăn nhất định khi giải quyết vấn đề khoá van

Biến tần gián tiếp được chia làm hai loại:

* Biến tần gián tiếp nguồn áp:

Đặc điểm của loại biến tần này là nguồn cấp cho BBĐ là nguồn sức điện

động với nội trở nhỏ Các bộ nghịch lưu điện áp ưa dùng tranzito thay vì tiristor vì

lý do tổn hao chuyển mạch bé và có khả năng điều khiển khoá van mà không cần bất cứ thiết bị chuyển mạch phụ trợ nào

Hình 1.2 Sơ đồ khối biến tần gián tiếp nguồn áp Hiện nay với phương pháp PWM (biến điệu độ rộng xung) áp dụng cho các

bộ nghịch lưu điện áp, cho phép các dạng sóng gần sin hơn và vì vậy nâng cao được chất lượng điều chỉnh Những đặc điểm đó đưa đến khả năng ứng dụng bộ biến tần nguồn áp trong truyền động yêu cầu cao về độ chính xác điều chỉnh, chiếm ưu thế trong truyền động công suất nhỏ và truyền động nhiều động cơ hoạt động chính xác

và đồng bộ

* Biến tần gián tiếp nguồn dòng:

Trong trường hợp này, nguồn cung cấp là nguồn dòng – tức là dòng một chiều vào bộ nghịch lưu không phụ thuộc vào tổng trở tải Điều này dẫn đến dạng sóng của dòng điện các pha sau bộ nghịch lưu có dạng chữ nhật nếu bỏ qua giai

đoạn chuyển mạch, điện áp ra có dạng sin nhưng mang các đỉnh nhọn ở thời điểm chuyển mạch Khác với bộ nghịch lưu nguồn áp, ở bộ nghịch lưu dòng liên lạc điện

áp một chiều phải qua cuộn dây Cuộn dây liên lạc một chiều ngăn các biến thiên

đột ngột của dòng điện nên truyền động này rất thích hợp đối với những nơi cần tránh biến thiên đột ngột của mô-men trên trục động cơ

Hình 1.3 Sơ đồ khối biến tần gián tiếp nguồn dòng Hơn nữa, ở bộ nghịch lưu nguồn dòng khi ngắn mạch đầu cực động cơ không gây hư hỏng nghịch lưu vì dòng điện luôn có xu hướng giữ không đổi Một điểm quan trọng là ở biến tần nguồn dòng ta có thể thực hiện hm tái sinh động cơ chỉ với mạch lực đơn giản Bộ biến tần nguồn dòng làm tăng được công suất đơn vị

động cơ nên thích hợp cho truyền động có đảo chiều, công suất động cơ truyền

động lớn

1.2 Vấn đề ảnh hưởng của các BBĐ lên lưới cung cấp

Bộ biến đổi tĩnh được sử dụng khá rộng ri trong lĩnh vực công nghiệp Tính chất chung của bộ biến đổi tĩnh là được xây dựng bằng các van bán dẫn công suất Các van này có đặc điểm là làm việc ở chế độ đóng ngắt Do đó dòng điện từ lưới cấp cho bộ biến đổi là dòng điện không sin: Nó gồm những đoạn hình sin hoặc chữ nhật nên dạng dòng điện của chúng phụ thuộc vào tỉ số các thông số của bộ biến

1.2.1 Sóng điều hoà của dòng điện lưới

Dòng điện nhận vào các bộ biến đổi từ lưới cung cấp là dòng điện không hình sin Để nghiên cứu dòng điện không hình sin người ta phân tích chúng sang chuỗi Fourier Dòng điện có thể biểu diễn bằng công thức:

i = Imsinωt + IΣnsin(kωt + ϕm) (1-1) Trong đó: ω - tần số biến thiên của dòng điện sóng bậc 1 (cơ bản)

Trong bảng 1.1 thống kê các giá trị tương đối của biên độ của các hài dòng

điện lưới khi làm việc với bộ chỉnh lưu nhiều xung Trong thực tế do có hiện tượng trùng dẫn nên các giá trị thực tế có thể khác với các giá trị cho trong bảng

Bảng 1.1 Giá trị tương đối của biên độ các sóng hài của dòng nhận từ lưới vào bộ chỉnh lưu nhiều pha (q – số xung, n – số bậc sóng hài)

1.2.2 Hệ số công suất của các bộ chỉnh lưu có điều khiển

Việc điều khiển chậm mở các van trong bộ biến đổi có chuyển mạch tự nhiên làm dịch pha sóng cơ bản so với điện áp Khi tăng góc điều khiển làm tăng góc αchậm pha của dòng lưới cấp cho bộ biến đổi

Bộ biến đổi có chuyển mạch tự nhiên là một bộ tiêu thụ năng lượng phi tuyến, hệ số công suất của hệ thống phi tuyến được định nghĩa như sau:

=

λ

2 2 2

D Q P

P S

P

ư+

định bằng góc điều khiển còn công suất trùng dẫn xác định bằng độ cảm kháng αcủa mạch chuyển mạch vì sự trùng dẫn kéo dòng điện lệch pha thêm với điện áp

Ta hy xét thành phần công suất phản kháng thứ nhất, giả thiết lưới cung cấp

điện là 3 pha, đồng thời bỏ qua dòng nhiễm từ lõi thép của biến áp Như trên đ phân tích dòng điện đưa tới bộ biến đổi có thể phân tích sang sóng đa hài gồm sóng cơ bản và sóng bậc cao Mặt khác dòng bậc cao của dòng điện lại có thể phân tích thành tác dụng và phản kháng Giả sử rằng điện áp pha nguồn nạp U không bị biến dạng thì các loại công suất có thể biểu diễn:

- Công suất biểu kiến nhận từ lưới: S = 3UI

- Công suất tác dụng của sóng bậc một: P1 = 3UI1td = 3U1I1cosϕ1

- Công suất phản kháng của sóng bậc 1: Q1 = 3UI1pk = 3U1I1sinϕ1

- Công suất biến dạng: D = 3UIbd = UΣ kIkcosϕk

Công suất D liên quan tới việc xuất hiện các dòng bậc cao trong dòng điện Thay giá trị P, Q và S vào (1-2) ta có:

λ= P1/S = UI1cosϕ1/UI = I1cosϕ1/I (1-3) Trong đó I là dòng hiệu dụng pha được tính như sau

Nếu < 30γ 0 thì cos /2 1 khi đó cosγ ≈ ϕ1 = cos( + /2) α γ

ϕ1 = +α γ/2 Trong trường hợp bỏ qua trùng dẫn ta có: cosα = cosϕ1

Điều đó có nghĩa rằng công suất điều khiển đạt giá trị lớn nhất khi góc

α = 900 và nhỏ nhất khi α = 00

Tổng quát công suất phản kháng Q của một đối tượng phi tuyến (bộ biến đổi

là một bộ tiêu thụ năng lượng phi tuyến) có thể tính bằng công thức sau:

Q = T∫

dt

du i

mà sơ đồ thay đổi thì ta phải tính từng đoạn rồi cộng lại ví dụ khi tính tích phân gặp

đoạn trùng dẫn, ta phải tính riêng sau đó công chúng lại Công suất phản kháng của

bộ biến đổi có thể giảm bằng cách điều chỉnh điện áp máy biến áp bằng tiếp điểm (không điều khiển van)

1.2.3 Hiệu suất bộ chỉnh lưu

Công suất toàn phần của bộ biến đổi chỉ bằng công suất tác dụng trong bộ biến đổi một pha dùng van không điều khiển có tải thuần trở và khi bỏ qua trở kháng tản và dòng kích từ của máy biến áp Lúc này dòng chảy vào bộ biến đổi có dạng hình sin và trùng pha với điện áp, chúng ta thấy phần lớn các bộ tiêu thụ năng lượng như động cơ một chiều, ắc quy chỉ sử dụng phần dòng không đổi của dòng chỉnh lưu mà không phải toàn bộ công suất ở lưới ra của bộ chỉnh lưu, hiệu suất của

bộ chỉnh lưu xác định như sau:

= P

η d/ (Pd + P) ∆ (1-6)

Pd – công suất trung bình của dòng chỉnh lưu (Pd = UdId)

P – tổn hao trung bình các phần tử của bộ biến đổi gồm có tổn hao ở

∆

biến áp, ở bộ điều khiển, ở hệ thống làm mát các thiết bị chuyển mạch và những thiết bị phụ khác

1.2.4 Các phương pháp giảm ảnh hưởng bộ biến đổi lên lưới điện cung cấp

Như đ phân tích ở trên do dòng điện nhận từ lưới điện của các bộ biến đổi không hình sin nên ngoài sóng bậc nhất còn chứa các sóng bậc cao Thành phần sóng bậc cao (dòng biến đổi của dòng chỉnh lưu) lại gây tổn hao phụ và nhiều hậu quả xấu khác Để giảm thành phần sóng bậc cao người ta thực hiện một số biện pháp sau:

- Tăng số pha chỉnh lưu

- Dùng lọc

Do các van có điều khiển và do có công suất biến dạng làm cho hệ số công suất của thiết bị tiêu thụ điện giảm Để tăng hệ số công suất có những biện pháp sau:

- Bù công suất phản kháng bằng tụ điện

- Sử dụng bộ chỉnh lưu có chuyển mạch cưỡng bức

- Sử dụng điốt phóng điện để lợi dụng năng lượng tích luỹ trong cuộn dây

- Dùng biến áp có khả năng điều chỉnh điện áp ở sơ cấp

- Thực hiện điều khiển phi đối xứng

- Dùng bộ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng

Chi tiết về chỉnh lưu tích cực được giới thiệu trong các phần sau

1.2.4.2 Phương pháp tăng số pha của bộ biến đổi

Việc dùng bộ lọc có nhược điểm tăng kích thước và trọng lượng của bộ biến

đổi đồng thời sóng bậc cao nguy hiểm nhất do vậy người ta thường dùng phương pháp tăng số lượng pha của bộ chỉnh lưu để khử loại sóng này

Việc tăng số pha của bộ biến đổi có tác dụng loại trừ một số sóng bậc cao có hại, ví dụ nếu ta dùng bộ chỉnh lưu 12 pha ta loại được các sóng hài bậc 5, 7 làm cho điện áp ra phẳng hơn

Sơ đồ dùng chỉnh lưu có số pha lớn đôi khi là giải pháp kinh tế nhất nếu điện

áp một chiều đòi hỏi phẳng

1.3 Biến tần 4 góc phần tư

1.3.1.Vấn đề hãm tái sinh đối với các loại biến tần công nghiệp

- Đối với một số hệ thống trong công nghiệp, hệ truyền động không chỉ có chức năng truyền công suất theo 1 hướng từ Nguồn > Tải, mà còn có yêu cầu truyền công suất ngược lại từ Tải > Nguồn để trả năng lượng về nguồn Đó là vấn

đề hm tái sinh trong các phụ tải thế năng như thang máy tốc độ cao, nâng hạ, trong các hệ thống truyền tải và phân phối điện linh hoạt, hệ thống điều khiển thiết bị

phát điện chạy bằng sức gió, trong các chế độ giảm tốc đối với các phụ tải có quán tính lớn (như quạt gió, máy bơm ly tâm)…

Đối với các hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ, do bộ chỉnh lưu của biến tần là điốt hoặc thyristor nên để thực hiện hm tái sinh trả năng lượng

về lưới là không dễ dàng Sau đây, ta tiến hành khảo sát đối với ba loại biến tần: Biến tần nguồn dòng chỉnh lưu thyristor, biến tần nguồn áp chỉnh lưu điốt và chỉnh lưu thyristor biến tần nguồn áp chỉnh lưu tích cực PWM

Một nguyên tắc đối với biến tần có khâu trung gian một chiều là muốn thực hiện hm tái sinh (tức là đổi chiều công suất) thì phải đổi chiều hoặc là dòng điện hoặc là điện áp một chiều

1.3.1.1.Với các hệ truyền động dùng biến tần nguồn dòng

Đối với biến tần nguồn dòng, do có cuộn cảm L có giá trị lớn ở khâu trung gian một chiều nên dòng điện Id được ổn định, không đổi chiều Do vậy, Biến tần nguồn dòng để trả năng lượng về lưới người ta phải đổi chiều điện áp bằng cách cho

bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc với góc mở > 900

a)

b)Hình 1.4 Biến tần nguồn dòng động cơ KĐB a-chế độ động cơ, b-chế độ máy phát

ở chế độ động cơ: PCL = Ud1Id > 0, Pd = Ud2Id < 0, dòng năng lượng đi từ lưới đến tải

ở chế độ hm tái sinh: PCL = Ud1Id < 0, Pd = Ud2Id > 0, dòng năng lượng đi từ tải về lưới

1.3.1.2 Đối với hệ biến tần nguồn áp chỉnh lưu điốt

Hình 1.5 Mạch hm trong hệ biến tần - ĐKB, chỉnh lưu điốt

Đặc điểm biến tần nguồn áp là điện áp một chiều luôn luôn giữ dấu không

đổi, do vậy trong các chế độ hm chỉ có thể thực hiện được bằng cách mắc thêm

điện trở vào khâu trung gian 1 chiều, khi đó năng lượng trả về bị tiêu tán hết trên

điện trở này, không trả được năng lượng về lưới Với chế độ hm kiểu này sẽ gây lng phí nếu hệ thống có quá trình hm thường xuyên xảy ra như các thang máy tốc

độ cao,…

1.3.1.3 Đối với biến tần nguồn áp chỉnh lưu thyristor

Hình 1.6 Biến tần nguồn áp chinh lưu Thyristor

Đối với hệ truyền động biến tần nguồn áp công suất lớn (từ vài trăm kW đến MW) thì không dùng mạch dập điện trở một chiều Mà người ta dùng cấu trúc như hình 1.6 Trong đó chỉnh lưu gồm 2 bộ mắc song song ngược, một bộ làm việc chỉnh lưu và một bộ nghịch lưu Khi hm tái sinh, bộ CL1 khoá chắc sau đó mở bộ NL1 để hm Kết thúc quá trình hm, bộ NL1 khoá chắc thì bộ CL1 mới đưa vào làm việc

1.3.1.4 Biến tần nguồn áp làm việc bốn góc phần tư

Ngày nay với công nghệ bán dẫn và công nghệ điện tử phát triển cao, vấn đề hm tái sinh trả năng lượng về lưới có thể thực hiện một cách tối ưu với các biến tần

mà khâu chỉnh lưu sử dụng các van đóng cắt là IGBT, và khâu nghịch lưu sử dụng IGBT như các bộ biến tần thông thường Các loại biến tần kiểu này thường được gọi

là biến tần có khả năng làm việc theo hai hướng, hoặc biến tần làm việc ở 4 góc phần tư (4Q), biến tần BTB (Back – to – Back)…

1.3.2 Khái niệm, cấu trúc biến tần 4Q

Biến tần 4Q là loại biến tần gián tiếp nguồn áp trong đó khâu chỉnh lưu sử dụng các van đóng cắt là IGBT và khâu nghịch lưu sử dụng IGBT như các bộ biến tần thông thường

Sơ đồ khối phần mạch lực và phần điều khiển của biến tần 4Q được trình bày trên hình 1.7

Bộ điều khiển phía luới

Bộ điều khiển phía động cơ

Bộ điều khiển chung

Hình 1.7 Cấu trúc biến tần 4Q Phần mạch lực bao gồm khâu lọc đầu vào xoay chiều L hoặc LCL, khâu chỉnh lưu, khâu trung gian một chiều và khâu nghịch lưu độc lập

Trong đó: Khâu lọc đầu vào vừa có tác dụng lọc đồng thời tạo điện áp đệm

và đảm bảo điện áp một chiều trên tụ điện C lớn hơn điện áp chỉnh lưu tự nhiên

Khâu chỉnh lưu tích cực đóng vai trò là chỉnh lưu trong chế độ động cơ và là nghịch lưu trong chế độ hm tái sinh trả năng lượng về nguồn

Khâu nghịch lưu độc lập đóng vai trò nghịch lưu trong chế độ động cơ và chỉnh lưu trong chế độ hm tái sinh

Phần điều khiển bao gồm bộ điều khiển phía lưới điều khiển phần chỉnh lưu,

bộ điều khiển phía động cơ điều khiển phần nghịch lưu

1.3.3 Đặc điểm của biến tần 4Q

Như ta đ biết, hầu hết tất cả các biến tần trong công nghiệp có chứa khâu một chiều trung gian sử dụng chỉnh lưu điốt hoặc thyristor là nguồn phát các sóng hài bậc cao dòng điện lên lưới gây xấu dạng điện áp lưới, hệ số cosϕ thấp và không

có khả năng trao đổi năng lượng từ tải về lưới Biến tần bốn góc phần tư (4Q) dùng chỉnh lưu tích cực theo thuật điều khiển PWM có thể khắc phục các nhược điểm trên

1.3.3.1 Khả năng hm tái sinh

Thực tế một động cơ có thể hoạt động ở cả chế độ động cơ và máy phát Khi máy điện chuyển sang chế độ hm tái sinh, tức là hoạt động như một máy phát, năng lượng thừa sẽ được phát trả về làm dâng cao điện áp trên tụ điện một chiều

Đối với một số hệ thống công suất bé, năng lượng này là nhỏ có thể được tiêu tán trong mạch một chiều và bản thân thiết bị Ngược lại với các hệ thống lớn năng lượng phát trả này lớn có thể gây quá áp trong mạch một chiều khiến cho biến tần báo lỗi và có thể gây phá huỷ tụ điện và các linh kiện khác.Vì vậy, khi sản xuất biến tần người ta phải nghĩ đến việc tiêu tán năng lượng thừa này như thế nào, từ đó người ta đưa ra các cách tiêu tán năng lượng như dùng điện trở, mắc thêm một bộ biến đổi phía chỉnh lưu để trả năng lượng về nguồn (đối với các bộ biến tần dùng chỉnh lưu điốt, thyristor) Tuy nhiên đối với biến tần 4 góc phần tư có thể giải quyết vấn đề này một cách khoa học, vừa tiết kiệm được năng lượng trong khi phần cứng mạch lực không hề phức tạp lên, đó chính là giải pháp hm tái sinh trả năng lượng

về nguồn

1.3.3.2 Đặc tính động học

Khả năng làm việc ở bốn góc phần tư cho phép hệ thống có đặc tính động học tốt hơn so với các hệ thống cũ trước đây Khả năng phát trả năng lượng hm tái sinh về lưới cho phép hệ thống có khả năng tăng tốc và giảm tốc độ nhanh hơn so với hệ thống cũ, cho phép thay đổi tốc độ và gia tốc lớn hơn

1.3.3.3 Khả năng điều khiển điện áp một chiều

Trong hoạt động của biến tần, điện áp của mạch một chiều phải lớn hơn hoặc tối thiểu phải bằng biên độ đỉnh giữa pha-pha của điện áp cung cấp cho động cơ

Điều này đảm bảo cho biến tần hoạt động bình thường và cho đáp ứng mômen đủ nhanh Ngoài ra nó còn cho phép khai thác động cơ ở điện áp định mức lớn nhất có thể

Bằng việc điều khiển bộ biến đổi PWM phía lưới, ta có thể điều khiển được

điện áp của mạch một chiều đáp ứng các yêu cầu trên Lúc này bộ PWM phía lưới

sẽ hoạt động như một bộ biến đổi có khả năng tăng áp cho điện áp một chiều Khả năng này khiến cho hệ thống ít bị ảnh hưởng bởi tải của động cơ cũng như trường hợp sụt giảm của điện áp lưới Nếu điều khiển tốt điện áp một chiều có thể cho phép giảm dung lượng của các tụ điện mà vẫn đảm bảo chất lượng điện áp ra bằng phẳng

so với các hệ thống cũ

1.3.3.4 Khả năng điều chỉnh hệ số công suất ở phía lưới

Bộ PWM phía lưới cho phép ta điều chỉnh được hệ số công suất phía lưới Như vậy, nó có thể hoạt động như một bù công suất phản kháng Thông thường, người ta mong muốn đạt được hệ số công suất xấp xỉ bằng 1 Trong các hệ thống cũ dùng mạch nắn 6 điốt và một bộ nghịch lưu PWM, người ta cũng có thể đạt được hệ

số công suất bằng 1, tuy nhiên do có nhiều sóng hài bậc thấp nên giá trị hiệu dụng dòng điện của hệ thống này lớn hơn so với hệ thống dùng hai bộ biến đổi PWM 1.3.3.5 Giảm sóng hài bậc cao của dòng điện lưới

Không thể có bộ nghịch lưu nào cung cấp dòng điện hoàn toàn hình sin, vì vậy dòng điện lưới sẽ luôn bị méo dạng nhất định Dòng điện lưới sẽ chỉ gần giống hình sin và chứa rất nhiều thành phần sóng hài bậc cao là bội số của tần số chuyển mạch Ngoài ra, nếu sử dụng bộ chỉnh lưu điốt còn tạo ra các sóng hài lẻ bậc thấp Các sóng hài lẻ bậc thấp có thể gây ra hiện tượng như: làm phát nóng các biến áp, gây lỗi cho động cơ, làm hỏng tụ điện Như vậy hệ thống sử dụng hai bộ biến đổi PWM cho chất lượng điện áp cao hơn Các sóng hài bậc cao do nó sinh ra có thể lọc

dễ dàng hơn so với các sóng hài bậc thấp bằng các bộ lọc L hoặc LCL cỡ nhỏ 1.4 Lý luận hệ thống truyền động xoay chiều ba pha bốn góc phần tư

Hệ truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị

điện từ, thiết bị điện tử, phục vụ việc biến đổi năng lượng điện - cơ và gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó

Cấu trúc chung của hệ truyền động gồm hai phần chính là phần lực và phần

điều khiển:

Phần lực là bộ biến đổi và động cơ điện truyền động Các bộ biến đổi thường dùng là bộ biến đổi máy điện (máy phát một chiều, xoay chiều), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bo hoà), bộ biến đổi điện tử ( chỉnh lưu thyristor, biến

tần tranzitor,thyristor …) Động cơ điện có các loại: động cơ một chiều, xoay chiều

đồng bộ, không đồng bộ và các loại động cơ xoay chiều đặc biệt khác

Phần điều khiển gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, ngoài ra còn các thiết bị điều khiển, đóng cắt phục vụ công nghệ và cho người vận hành

Trong thực tế có thể phân loại hệ truyền động điện thành:

+ Truyền động điện không điều chỉnh: thường chỉ có các động cơ được nối trực tiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định

+ Truyền động có điều chỉnh: Tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà cần có truyền động cần có điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh mômen, lực kéo và truyền động điều chỉnh vị trí Tốc độ của động cơ trong hệ truyền động thay đổi nhằm thoả mn các yêu cầu như thoả mn các đặc tính điện - cơ giữa tải và động cơ

điện, cần hoạt động với hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng, có yêu cầu điều khiển tốc độ và vị trí trong quá trình sản xuất… Trong cấu trúc hệ truyền động có

điều chỉnh, có thể là truyền động nhiều động cơ Ngoài ra tuỳ thuộc vào cấu trúc và tín hiệu điều chỉnh lại có hệ truyền động điều khiển số, tương tự hoặc truyền động

điều khiển theo chương trình,

Trước kia, các hệ truyền động một chiều chiếm ưu thế hơn hẳn so với các hệ truyền động xoay chiều bởi các ưu điểm dễ điều khiển, độ chính xác cao trong khi

đó hệ truyền động xoay chiều phức tạp hơn trong điều khiển, con người khó kiểm soát được chúng Tuy nhiên hệ truyền động một chiều lại có nhược điểm rất lớn mà ngày nay vẫn chưa khắc phục được đó là ở động cơ truyền động (động cơ điện một chiều) có chổi than cổ góp, dễ gây tia lửa, làm việc không tin cậy, giá thành cao, chi phí bảo dưỡng lớn

Hơn nữa ngày nay trình độ kỹ thuật phát triển cao đặc biệt là công nghệ bán dẫn, điện tử công suất và tin học nên những nhược điểm của truyền động xoay chiều

có thể khắc phục được Vì vậy trong công nghiệp hiện nay các hệ truyền động xoay chiều đang có xu hướng thay thế dần các hệ truyền động một chiều ở đa số các hệ thống không yêu cầu quá cao về chất lượng và độ chính xác điều chỉnh Phổ biến nhất là hệ truyền động Biến tần - Động cơ xoay chiều, bởi những ưu thể vượt trội so với các hệ truyền động khác như: Làm việc tin cậy, giá thành thấp, chi phí bảo hành bảo dưỡng thấp, đồng thời khắc phục được nhược điểm cơ bản là điều khiển khó khăn (nhờ kỹ thuật điện tử, tin học, và điện tử công suất phát triển mạnh)

Hình 1.8 thể hiện các trạng thái làm việc của một hệ truyền động xoay chiều biến tần - động cơ xoay chiều làm việc ở 4 góc phần tư

+ M

+ n Góc I

Góc III Góc II Góc IV

ở chế độ

động cơ

Máy điện làm việc

ở chế độ máy phát

Máy điện làm việc

ở chế độ

động cơ

Máy điện làm việc

ở chế độ máy phát

Bộ PWM phía lưới ở chế độ chỉnh lưu

1.4.1 Phần điều khiển chung

- Có khả năng trao đổi công suất theo hai chiều, hệ thống điều khiển làm việc trong cả 4 góc phần tư

- Điện áp chỉnh lưu cao hơn điện áp chỉnh lưu tự nhiên ít nhất 20%

- Đảm bảo chuyển chế độ điều khiển phù hợp trong các trường hợp dừng

1.4.2 Trong góc phần tư thứ I và thứ III

- Điều khiển máy điện xoay chiều làm việc ở chế độ động cơ

- Điều khiển bộ PWM phía động cơ ở chế độ nghịch lưu cung cấp nguồn xoay chiều ba pha cho động cơ

- Có khả năng điều khiển động cơ hoạt động ở chế độ giảm từ thông để đạt

- Điều khiển máy điện xoay chiều ở chế độ máy phát

- Điều khiển bộ biến đổi phía lưới ở chế độ nghịch lưu phát trả năng lượng về lưới, đảm bảo chế độ hm tái sinh có chất lượng động tốt

- Dòng điện phía lưới phải càng gần với dạng sin càng tốt, giảm thiểu dao

động của dòng điện lưới

- Khả năng điều chỉnh được hệ số công suất ở đầu vào phải gần bằng 1

- Tổn thất do các sóng hài bậc cao đối với dòng điện phía lưới thấp

- Khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp, phần điện áp một chiều tốt

- Giảm thiểu kích thước của tụ điện, cuộn cảm

- Ngoài ra, với các hệ thống công suất lớn có thể yêu cầu khả năng làm việc

ổn định trong các chế độ nguồn điện áp lưới bị sụt giảm, dao động hoặc tần số bị dao động

1.5 tóm tăt chương 1

Chương 1 là chương giới thiệu tổng quan về đối tượng nghiên cứu của đề tài

đó là về biến tần 4 góc phần tư Trong đó, tác giả đ đề cập đến những vấn đề sau:

- Giới thiệu qua về biến tần bán, biến tần trực tiếp, gián tiếp, ưu nhược điểm

và khả năng ứng dụng của chúng

- Nêu lên sự ảnh hưởng của các bộ biến đổi công suất lên lưới cung cấp như như nhiễu làm méo dạng điện áp và dòng điện lưới, hệ số công suất thấp

- Từ đó đặt vấn đề về khái niệm biến tần 4Q, cấu trúc, đặc điểm và −u điểm nổi bật của biến tần 4Q Đặc biệt trong việc giải quyết vấn đề hm tái sinh đối với các hệ truyền động xoay chiều trong công nghiệp

- Đ−a ra các yêu cầu đối với bộ biến đổi trong các hệ truyền động xoay chiều

3 pha 4 góc phần t−

Chương 2: Chỉnh lưu tích cực trong biến tần 4Q

2.3 Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu tích cực sử dụng trong biến tần 4Q

2.4 Mô hình toán học của bộ chỉnh lưu PWM

2.4.1 Mô hình của bộ lọc

2.4.2 Mô hình mạch cầu nghịch lưu PWM

2.4.3 Mô hình của mạch trung gian một chiều (DC-Link)

2.5 Vấn đề chuyển mạch của chỉnh lưu tích cực trong chế độ động cơ và trong chế

độ hFm tái sinh

2.5.1 Mạch chỉnh lưu trong chế độ thuận (công suất từ nguồn > tải)

2.5.2 Mạch chỉnh lưu trong chế độ ngược (công suất từ tải > nguồn)

2.6 Tóm tắt chương 2

2.1 Giới thiệu chung

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rFi nhất trong thực tế như trong các hệ truyền động điều khiển động cơ (một chiều, xoay chiều), trong các hệ thống sử dụng năng lượng một chiều Trong các bộ biến tần gián tiếp khâu chỉnh lưu đóng vai trò như khâu liên lạc giữa nguồn điện lưới và bộ biến đổi (inverter) sử dung năng lượng một chiều

*Sơ đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh lưu như trên hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu Trong sơ đồ có máy biến áp làm hai nhiệm vụ chính là:

- Chuyển từ điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2thích hợp với yêu cầu của tải Tuỳ theo tải mà máy biến áp có thể là tăng áp hoặc giảm áp

- Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu của mạch van Thông thường số pha của lưới lớn nhất là 3, song mạch van có thể cần số pha là 6, 12…

Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện và mạch van đòi hỏi số pha như lưới điện thì có thể bỏ máy biến áp

Mạch van ở đây là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách nào đó để

có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu

Mạch lọc nhằm đảm bảo điện áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải là bằng phẳng theo yêu cầu

* Khi gọi tên một mạch chỉnh lưu người ta thường căn cứ theo các yếu tố sau

đây:

- Căn cứ vào số pha nguồn cấp có chỉnh lưu một pha, hai pha, ba pha hoặc 6 pha…

- Căn cứ vào loại van bán dẫn trong mạch chỉnh lưu có loại chỉnh lưu không

điều khiển (chỉnh lưu dùng toàn điốt), chỉnh lưu điều khiển không đối xứng (chỉnh lưu dùng điốt và thyristor), chỉnh lưu điều khiển đối xứng (chỉnh lưu dùng toàn

- Căn cứ vào sơ đồ mắc các van có loại chỉnh lưu hình tia, hoặc chỉnh lưu cầu

Trong đó các loại chỉnh lưu có các ưu nhược điểm khác nhau Ví như chỉnh lưu dùng điốt và thyristor có ưu điểm đơn giản, tuy nhiên công suất chỉ truyền theo một hướng từ nguồn đến tải Còn chỉnh lưu PWM tuy điều khiển phức tạp hơn nhưng có lợi thế về điều khiển hướng công suất …

2.2 Một số sơ đồ chỉnh lưu

Dưới đây tác giả xin trình bày một số kiểu chỉnh lưu ba pha thường dùng trong các bộ biến tần nguồn áp

2.2.1 Chỉnh lưu dùng điốt và thyristor

Các sơ đồ chỉnh lưu dùng điốt và thyristor có thể là loại chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu điều khiển không đối xứng và chỉnh lưu điều khiển đối xứng như hình vẽ dưới đây

(c) Hình 2.2 Các sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha dùng điốt và thyristor

a Chỉnh lưu không điều khiển

b Chỉnh lưu điều khiển không đối xứng

c Chỉnh lưu điều khiển đối xứng

Đặc điểm của các loại chỉnh lưu này là sử dụng các van bán dẫn hoàn toàn là

điốt đối với chỉnh lưu không điều khiển, là thyristor đối với chỉnh lưu điều khiển

hoàn toàn hoặc cả điốt và thyristor đối với chỉnh lưu bán điều khiển Đối với những

hệ truyền động biến tần động cơ xoay chiều không yêu cầu cao về trả năng lượng về lưới thì khâu chỉnh lưu chủ yếu là các loại chỉnh lưu dùng điốt và thyristor tuỳ thuộc vào từng hệ truyền động, và phụ thuộc cả phương pháp điều khiển nghịch lưu

Ưu điểm của các loại chỉnh lưu này là đơngiản, tin cậy và giá thành rẻ

Tuy nhiên, nhược điểm của chúng là hệ số công suất thấp, xuất hiện nhiều thành phần sóng hài bậc cao Ngoài ra, đối với chỉnh lưu điốt, điện áp một chiều sau chỉnh lưu là cố định, không điều khiển được Đặc biệt, các sơ đồ chỉnh lưu dùng

điốt và thyristor chỉ cho công suất truyền theo một chiều, không có khả năng trả năng lượng về lưới, do đó chỉ thích hợp với các loại biến tần dùng trong các hệ truyền động không hoặc ít yêu cầu hFm tái sinh

2.2.2 Các sơ đồ chỉnh lưu dùng IGBT

Hình 2.3 Các sơ đồ chỉnh lưu dùng IGBT Trong đó, hình 2.3a là một giải pháp đơn giản của phương pháp chỉnh lưu nguồn áp với khả năng tăng điện áp một chiều Loại này đặc biệt quan trọng đối các

bộ biến tần truyền động cho các hệ xoay chiều thay đổi tốc độ là khả năng đưa ra

điện áp tới động cơ lớn nhất Hạn chế của loại chỉnh lưu này là chế độ làm việc

nặng đối với các phần tử bán dẫn công suất và sự méo dạng tần số của dòng điện

đầu vào

Tiếp theo ở hình 2.3 b sử dụng module chỉnh lưu PWM với tỉ lệ dòng điện rất thấp (20-25% mức dòng điện hiệu dụng so với phương pháp c) Vì vậy chúng chỉ làm việc trong chế độ hFm tái sinh hoặc lọc tích cực

Hình 2.3d thể hiện bộ biến đổi 3 mức gọi là chỉnh lưu Vienna Ưu điểm chính của phương pháp này là điện áp chuyển mạch thấp, không yêu cầu các van

đóng cắt chuyên dụng

Hình 2.3c thể hiện phương pháp chỉnh lưu phổ biến nhất, sử dụng trong các

hệ truyền động thay đổi tốc độ, UPS, những hệ thống mà yêu cầu hệ truyền động có khả năng hFm tái sinh trả năng lượng về lưới Đây gọi là phương pháp chỉnh lưu tích cực Ưu điểm của loại này là sử dụng các module 3 pha giá thành rẻ, năng lượng có khả năng truyền theo 2 chiều, có thể điều khiển được điện áp một chiều, điều chỉnh

được hệ số công suất

Bảng 2.1 So sánh đặc điểm của các loại chỉnh lưu

Điều chỉnh

được Udc

Giảm méo dạng dòng điện

Dòng

điện có dạng gần hình sin

Hiệu chỉnh hệ

số công suất

Truyền công suất theo 2 chiều

(+) : có; (-) : không

2.3 Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu tích cực sử dụng trong biến tần 4Q

Từ việc phân tích các sơ đồ chỉnh lưu khác nhau kết hợp với bảng so sánh

đặc điểm của các loại chỉnh lưu (bảng 2.1), ta thấy sơ đồ 2.3c là có nhiều ưu điểm hơn cả Và thực tế, đây cũng là kiểu cấu hình được sử dụng rộng rFi trong các bộ biến tần của các hFng lớn như : dòng Simovert Masterdrive của Siemens, dòng ACS611/ACS617 của ABB, hay Uni Regen Drive của Control Techniques…

Vì vậy, ta chọn cấu hình này cho hệ biến tần trình bày trong luận văn

Sơ đồ cấu trúc như sau:

Hình 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu tích cực sử dụng trong biến tần 4Q

Như sơ đồ cấu trúc, chỉnh lưu tích cực sử dụng các module IGBT do đó có những ưu nhược điểm sau:

* Ưu điểm:

- Tiết kiệm năng lượng bằng cách đồng bộ với lưới để phát trả năng lượng hFm

- Có khả năng điều chỉnh hệ số công suất đến xấp xỉ bằng 1

- Giảm sóng hài của dòng điện lưới

- Giảm sóng hài của dòng điện cung cấp cho biến tần trong cả chế độ động cơ và phát trả năng lượng về nguồn

- Có tính động học cao khi có thay đổi nhanh của dòng năng lượng phía động cơ tải

- Có khả năng điều khiển điện áp Bus một chiều, đặc biệt có khả năng nâng

điện áp một chiều cao hơn cả so với điện áp định mức của nguồn xoay chiều vào

Điều này rất cần thiết để bù các lưới điện có điện áp thấp, tăng khả năng mang tải tối đa của động cơ trong chế độ làm nhụt từ thông (feld weakening)

- Có khả năng điều chỉnh công suất phản kháng nên có thể hoạt động ở chế

độ cung cấp hoặc tiều thụ công suất phản kháng để tăng hệ số công suất khi cần

- Có khả năng điều khiển cân bằng dòng truyền công suất giữa lưới điện và

động cơ nhằm khống chế điện áp mạch một chiều và cực tiểu hoá tụ điện

* Nhược điểm:

- Vốn đầu tư cao hơn so với cầu chỉnh lưu điốt

- Không có khả năng hFm khi nguồn điện bị ngắt

- Có các hài ở tần số cao do tần số chuyển mạch của van

* Với các ưu nhược điểm trên thì việc sử dụng bộ biến đổi có khả năng phát trả năng lượng về lưới sẽ rất hiệu quả trong các ứng dụng sau:

- Các ứng dụng đòi hỏi việc hFm động cơ xảy ra liên tục và lặp lại thường xuyên như: thang máy cao tốc, máy nâng hạ…

- Công suất hFm động cơ cao

- Cần giảm diện tích lắp đặt vì hệ thống kiểu này có kích thước lắp đặt gọn nhẹ hơn so với các hệ thống tương đương dùng biến trở hFm

- Cần tiết kiệm năng lượng

- Khi có yêu cầu cao về đảm bảo giảm nhiễu hài đối với lưới điện

2.4 Mô hình toán học của bộ chỉnh lưu PWM

Khi xét mô hình của bộ chỉnh lưu tích cực 3 pha, ta xét bao gồm cả mô hình của bộ lọc xoay chiều, một chiều và khối liên hệ giữa phần xoay chiều và một chiều (khối cầu chỉnh lưu) Từ đó, nhằm mô tả các phần tử thực tế thành những công thức toán học để thuận lợi cho việc tính toán, mô phỏng hệ thống

Cấu trúc và sơ đồ tương đương của bộ chỉnh lưu tích cực, trong đó:

(a) (b)

(c) Hình 2.6 Giản đồ pha của bộ chỉnh lưu PWM a- các thành phần dòng áp đối với bộ chỉnh lưu thông thường

b- Các thành phần dòng áp đối với bộ chỉnh lưu tích cực với cosϕ=1

c- Các thành phần dòng áp đối với bộ chỉnh lưu tích cực với cosϕ=-1 tức là ở chế độ nghịch lưu (P<0)

u : Biểu diễn véc tơ trạng thái của tụ điện thuần dung trong bộ lọc kiểu LCL

ở đây, ta xét cho bộ lọc kiểu L (hình 2.7a) Từ sơ đồ tương đương ta có phương trình vi phân trong hệ toạ độ tĩnh cho bộ lọc kiểu L như sau:

S 1

S 2

S 1

S 1

dt

id

Xét dưới hệ trục toạ độ quay theo công thức:

t j S

et

t j 1

dt

eid(

ω

.)

1 1q 2q

1q 1

1q 1 1d

1 1d 2d

1d 1

iLi

Ru

udt

diL

iLi

Ruudt

diL

1 1

1 1

1q 1d

1 1

1 1

1q

1d

uuuu

L0

L0

0L

0Li

i/LR

/LRi

1

/1/

1

4 3

t c

t b

Với Swa, Swb, Swc là hàm đóng ngắt của từng pha

Giá trị của hàm đóng ngắt sẽ là 1 nếu pha đó được nối với cực dương của nguồn 1 chiều và sẽ là không nếu pha đó nối với cực âm của nguồn 1 chiều

0

e.u3

2

jk dc 1

Hình 2.8 Các trạng thái đóng cắt của cầu chỉnh lưu PWM Các quan hệ cơ bản của các véc tơ trong bộ chỉnh lưu PWM như sau: