Nghiên ứu hệ điều khiển biến tần back to back cho động cơ đồng bộ

Sự ra đời của các thiết bị điện tử công suất mới hoàn thiện hơn, ưu việt hơn đã góp phần cải thiện chất lượng các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện rất nhiều, không

B Ộ GIÁO DỤ C VÀ ĐÀO T Ạ O TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

-

LUẬ N VĂN TH C SĨ KHOA H Ạ Ọ C NGÀNH T : Ự ĐỘNG HÓA

N GHIÊN CỨ U H Ệ ĐIỀ U KHIỂ N BI Ế N TẦN

NGUYỄN HOÀNG KHÁNH

Hà Nội 2008

B GIÁO DỤ O TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

-

NGUYỄN HOÀNG KHÁNH

LUẬ N VĂN TH C SĨ KHOA H Ạ Ọ C NGÀNH T : Ự ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2008

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối của một công nghệ sản xuất Từ trước đến nay, các hệ truyền động luôn luôn được quan tâm nghiên cứu, nâng cao chất lượng, đáp ứng yêu cầu ngày một cao của công nghệ mới Sự ra đời của các thiết bị điện tử công suất mới hoàn thiện hơn, ưu việt hơn đã góp phần cải thiện chất lượng các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện rất nhiều, không những đáp ứng được độ tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn giảm kích thước và giá thành của

hệ

Không nằm ngoài quy luật đó, truyền động biến tần đã và đang được sử dụng trong các hệ thống công suất từ nhỏ đến lớn, từ vài trăm W đến vài MW với ưu điểm là điều chỉnh động cơ dễ dàng, tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên với truyền động biến tần dùng chỉnh lưu Diod, Thyristor còn tồn tại các nhược điểm như: sóng điều hoà bậc cao gây méo điện áp lưới, hệ số công suất thấp, không có sự trao đổi năng lượng giữa lưới và tải

Trong những năm gần đây (thập kỷ 90 của thế kỷ XX), công nghệ chế tạo Tranzitor phát triển, tạo ra những Tranzitor chịu được điện áp đến hàng

KV, dòng điện đến hàng KA đã giải quyết được hầu hết các nhược điểm nói trên Biến tần dùng chỉnh lưu PWM đã được nghiên cứu chế tạo đáp ứng được những yêu cầu:

- Trao đổi năng lượng hai chiều giữa tải và lưới

- Giảm sóng điều hoà bậc cao dội về lưới, giúp nâng cao chất lượng điện

áp lưới

- Tăng hệ số công suất cosφ, duy trì hệ số công suất luôn xấp xỉ bằng 1

Do thực hiện trao đổi năng lượng hai chiều, biến tần có khả năng làm việc ở cả 4 góc phần tư, nên được gọi là biến tần làm việc 4 góc phần tư (biến tần 4 Q) Loại biến tần này làm cho đặc tính làm việc của hệ truyền động tốt hơn và tiết kiệm năng lượng vận hành

Mặt khác, động cơ đồng bộ được biết đến là thiết bị có công suất lớn, nên việc sử dụng biến tần BTB nhằm trả năng lượng lại lưới điện mang một ý nghĩa lớn trong thực tiễn vận hành Trong phạm vi đồ án này em nghiên cứu thuật điều khiển chỉnh lưu PWM theo luật điều chỉnh trực tiếp công suất, DPC (điều khiển trực tiếp công suất) đảm bảo hệ số cosφ hệ thống bằng 1, giảm sóng điều hoà bậc cao và trao đổi năng lượng giữa lưới và tải Xem xét hiệu quả của phương pháp điều khiển VF DPC cho chỉnh lưu PWM và gắn nó -

với phần nghịch lưu điều khiển theo phương pháp DTC (điều khiển trực tiếp momen)

Trong hầu hết các nghiên cứu về các phương pháp điều khiển, có tính đến việc ước lượng các tham số không đo trực tiếp được như từ thông…, điên trở stator được bỏ qua nhằm giảm khối lượng tính toán Tuy nhiên, việc bỏ qua tham số động cơ sẽ làm giảm độ chính xác trong quá trình điều khiển Bản đồ án này có đề cập đến ảnh hưởng của điện trở điện trở stator trong việc ước lượng giá trị từ thông, cũng như đề xuất phương pháp ước lượng sự thay đổi của điện trở stator khi các yếu tố như nhiệt độ môi trường… làm giá trị điện trở thay đổi

Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng mô hình mô phỏng Matlab Simulink

Nội dung quyển đồ án gồm:

- Chương : Giới thiệu chung về hệ truyền động biến tần cho động cơ 1 đồng bộ

- Chương 2: Điều khiển chỉnh lưu PWM

- Chương 3: Biến tần nguồn áp cho động cơ đồng bộ dùng chỉnh lưu PWM; Xem xét ảnh hưởng của điện trở stator đến chất lượng điều khiển biến tần

- Chương 4: Mô hình mô phỏng bằng Matlab

- Chương 5: Kết quả mô phỏng

- Chương 6: Kết luận và kiến nghị nhằm nâng cao chất lượng hệ thống

Để hoàn thành cuốn đồ án tốt nghiệp này, em đã nhận được sự hướng

dẫn, chỉ bảo rất tận tình và quý báu của thầy TS Phạm Văn Diễn cùng các

thày cô giáo công tác tại Bộ môn Tự động hoá xí nghiệp công nghiệp - Khoa Điện Đại học Bách Khoa Hà Nội Em- cũng xin bày tỏ lòng biết ơn bạn bè, người thân đã giúp đỡ em trong suốt thời gian hoàn thành bản đồ án này Tuy nhiên do thời gian và kiến thức có hạn nên đồ án này không thể tránh khỏi thiếu sót Em rất mong nhận được những đánh giá, góp ý của thầy,

cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 10

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 11

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 13

1.1 Tổng quan về động cơ đồng bộ 13

1.1.1 Khái quát chung 13

1.1.2 Động cơ đồng bộ trong chế độ xác lập 13

1.2.Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 19

1.2.1 Phân loại: 19

1.2.2 Truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ kích từ dây quấn dùng biến tần nguồn áp 20

1.3 Giới thiệu chỉnh lưu PWM 21

1.3.1 Những chỉ tiêu, yêu cầu làm việc với lưới và những vấn đề cần nghiên cứu trong chỉnh lưu Diode và Thyristor. 21

1.3.2 Chỉnh lưu PWM 27

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU PWM 34

2.1 Các cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM: 34

2.2 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM: 35

2.2.1 Mô tả dòng điện và điện áp nguồn: 36

2.2.2 Mô tả điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM: 37

2.2.3 Mô tả chỉnh lưu PWM: 38

2.3 Cấu trúc điều khiển DPC: 43

2.3.1 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển DPC: 43

2.3.2 Ước lượng từ thông ảo: 45

2.3.3 Ước lượng công suất tức thời dựa trên từ thông ảo: 46

CHƯƠNG 3: BIẾN TẦN NGUỒN ÁP CẤP CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ DÙNG CHỈNH LƯU PWM 47

3.1 Các phương án điều khiển: 47

3.1.1 Điều khiển vô hướng: 47

3.1.2 Phương pháp điều khiển vector: 48

3.2 Hệ truyền động động cơ đồng bộ điều chỉnh trực tiếp momen: 52

3.2.1 Cấu trúc chung của hệ điểu khiển trực tiếp mô men 52

3.2.2 Mô hình ước lượng từ thông: 57

3.2.3 Mô hình ước lượng momen điện từ: 60

3.2.4 Bảng chọn lựa vector điện áp tối ưu: 60

3.3 Ảnh hưởng của điện trở stato 63

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB 67

4.1 Mô hình mô phỏng chỉnh lưu PWM theo phương pháp điều khiển DPC: 67

4.1.1 Khối chỉnh lưu PWM: 69

4.1.2 Khối ước lượng công suất và tính góc lệch: 70

4.1.3 Khối tính sector: 71

4.1.4 Bảng chọn: 72

4.2 Mô hình mô phỏng biến tần cho ĐCĐB theo phương pháp điều khiển DTC: 74

4.2.1 Khối Switch Matrix: 76

4.2.2 Khối tính sector: 77

4.2.3 Khối tính điện áp stator Us trong hệ toạ độ α-β: 78

4.2.4 Khối tính dòng điện stator trong hệ trục toạ độ α-β: 79

4.2.5 Khối tính các thành phần từ thông stator trong hệ trục toạ độ α-β: 79

4.2.6 Khối tính momen: 80

4.2.7 Khối tính từ thông stator: 81

4.2.8 Khối kích từ cho động cơ đồng bộ 81

4.3 Mô phỏng hệ truyền động biến tần_ĐCĐB với chỉnh lưu PWM điều khiển DPC nghịch lưu điều khiển DTC: 82

CHƯƠNG V: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 85

5.1 Quá trình khởi động: 85

5.2 Quá trình giảm tốc độ: 88

5.2.1 Quá trình giảm tốc độ không xảy ra hãm tái sinh: 88

5.2.2 Giảm tốc độ động cơ có xảy ra hãm tái sinh 90

5.3 Quá trình động cơ làm việc với tải thế năng 92

5.4 Ảnh hưởng của điện trở Stator 95

5.5 Kết luận: 97

CHƯƠNG 6 : TỔNG KẾ VÀ MỘT SỐ KIẾN NGHỊ 99T 6.1 Tổng kế 99t 6.2 Một số kiến nghị 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

PHỤ LỤC 103

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Động cơ đồng bộ cực lồi ba pha lý tưởng 13

Hình 1.2: Đồ thị vector của động cơ đồng bộ 14

Hình 1.3 Đặc tính mômen – góc tải động cơ đồng bộ cực lồi 15

Hình 1.4 Giản đồ thay thế máy điện đồng bộ theo trục tọa độ d – q 17

Hình 1.5 Đặc tính cơ khi khởi động và hãm 19

Hình 1.6 Mạch lực của truyền động động cơ đồng bộ 20

Hình 1.7 Đặc tính mômen động cơ đồng bộ 21

Hình 1.8 Sơ đồ chỉnh lưu cầu diode ba pha 22

Hình 1.9 Hình dạng của dòng điện và điện áp lưới 24

Hình 1.10 Điện áp 1 chiều, các hệ số RF, DPF, PF 25

Hình 1.11 Các phương pháp bố trí bộ lọc 26

Hình 1.12 Trao đổi năng lượng dùng điện trở dập 27

Hình 1.13 Trao đổi năng lượng dùng mạch nghịch 27

Hình 1.14 Cấu trúc cơ bản của chỉnh lưu PWM 28

Hình 1.15 Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều 30

Hình 1.16 Hệ thống phân phối điện năng 1 chiều 30

Hình 1.17 Biểu diễn đơn giản của chỉnh lưu 3 pha PWM cho công suất chảy 2 chiều 30

Hình 1.18 Giản đồ pha cho chỉnh lưu PWM 31

Hình 1.19 Trạng thái chuyển mạch của bộ chuyển đổi cầu PWM 32

Hình 2.1 Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM 34

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lưu PWM 35

Hình 2.3 Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ tự nhiên 36

Hình 2.4: Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM trong khung toạ độ α- β 40

Hình 2.5 Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ d-q 41

Hình 2.6 Dòng công suất trong bộ biến đổi AC/DC hai chiều

phụ thuộc vào hướng iL 42

Hình 2.7 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển DPC 43

Hình 2.8 Phân chia sector cho phương pháp DPC và VF_DPC 44

Hình 2.9 Khối ước lượng công suất tức thời dựa trên từ thông ảo 45

Hình 3.1 Các phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ 47

Hình 3.2 Sơ đồ điều khiển id→0 49

Hình 33: Sơ ồ điều khiển trực tiếp momen đ 52

Hình 3.4: Trạng thái thay đổi vectorơ từ thông

stator khi áp đặt vector điện áp 54

Hình 3.5:Sơ đồ van biến tần 55

Hình 3.6: Các vector điện áp tạo ra bởi biến tần 56

Hình 3.7: Qu ỹ đạo vector từ thông stator 57

Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc phương pháp ước lượng 58

Hình 2.9: Sơ đồ thuật toán ước lượng

các thành phần toạ độ vector từ thông stator 59

Hình 3.10 : Không gian phân chia sector 60

Hình 3.11: Đặc tính làm việc khâu so sánh có trễ 2 vị trí 61

Hình 3.12: Đặc tính làm việc khâu so sánh có trễ 3 vị trí 62

Hình 3.13 Khối ước lượng điện trở stato 65

Hình 4.1 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển DPC 66

Hình 4.2 Mô hình mô phỏng chỉnh lưu PWM

theo phương pháp điều khiển DPC 68

Hình 4.3 Khối chỉnh lưu PWM 69

Hình 4.4 Khối ước lượng công suất và tính góc lệch 69

Hình 4.5 Khâu tích phân 70

Hình 4.6 Cấu trúc chi tiết khối tích phân 70

Hình 4.7 Khâu tính sector 70

Hình 4.8 Cấu trúc chi tiết khối tính sector 71

Hình 4.9 Bảng chọn 72

Hình 4.10 Cấu trúc chi tiết bảng chọn 72

Hình 4.11 Bảng tra khi dq = 0 73

Hình 4.12 Bảng tra khi dq = 1 73

Hình 4.13 Mô hình mô phỏng biến tần nghịch lưu ĐCĐB

theo phương pháp điều khiển DTC 75

Hình 4.14 Khối Switch matrix 75

Hình 4.15 Cấu trúc chi tiết khối Switch matrix 76

Hình 4.16 Khối tính sector 76

Hình 4.17 Cấu trúc chi tiết khối tính sector 77

Hình 4.18 Khối tính điện áp Usα, Usβ 77

Hình 4.19 Cấu trúc chi tiết khối tính điện áp 77

Hình 4.20 Khối tính dòng điện isα, isβ 78

Hình 4.21 Cấu trúc chi tiết của khố i tính dòng điện. 78

Hình 4.22 Khối f(u) 78

Hình 4.23 Khối tính ψsα và ψsβ 78

Hình 4.24 Cấu trúc chi tiết của khối: 79

Hình 4.25 Khối tính momen 79

Hình 4.26 Cấu trúc chi tiết khối tính momen 79

Hình 4.27 Khối f(u) 80

Hình 4.28 Khối tính từ thông stator 80

Hình 4.29 Khối điều khiển điện áp kích từ cho động cơ đồng bộ 81

Hình 4.30 Mô hình mô phỏng hệ truyền động biến tần ĐCĐB với

chỉnh lưu PWM điều khiển DPC nghịch lưu điều khiển DTC 82

Hình 5.1: Điện áp một chiều sau chỉnh lưu 84

Hình 5.2: Đặc tình tốc độ của động cơ trong quá trình khởi động 85

Hình 5.3: Đặc tình momen của động cơ trong quá trình khởi động 85

Hình 5.4: Đặc tình cơ của động cơ trong quá trình khởi động 86

Hình 5.5 Điện áp đo trên cuộn kích từ của động cơ đồng bộ 86

Hình 5.6: Đặc tính tốc độ của động cơ khi tốc độ giảm từ ωdbxuống 141rad/s với tải định mức 88

Hình 5.7: Đặc tính momen của động cơ khi tốc độ giảm từ ωdb xuống ωm1= 141rad/s với tải định mức 88

Hình 5.8 Tương quan giữa dòng điện và điện áp cấp cho động cơ khi tốc độ giảm từ ωdb xuống 141rad/s với tải định mức 89

Hình 5.9: Đặc tính tốc độ của động cơ khi tốc độ giảm từ ωdb xuống ωm2=

132rad/s với tải định mức 90 Hình 5.10: Đặc tính momen của động cơ khi tốc độ giảm từ ωdb xuống ωm2=

132rad/s với tải định mức 90 Hình 5.11: Tương quan giữa dòng điện và điện áp cấp cho động cơ khi tốc độ giảm từ ωdbxuống ωm2 =132rad/s với tải định mức 91 Hình 5.12: Đặc tính tốc độ của động cơ khi động cơ khởi động với tải thế năng 92 Hình 5.13: Đặc tính momen của động cơ khi động cơ khởi động với tải thế năng 92 Hình 5.14: Dòng điện – điện áp pha a khi động cơ khởi động với tải thế năng

93

Hình 5.15: Điện áp đo trên cuộn kích từ khi động cơ khởi động với tải thế năng 93

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Chỉ tiêu độ méo điện áp lưới 23

Bảng 2.1 Bảng chuyển mạch 12 sector 45

Bảng 3.1: Các khả năng đóng van 54

Bảng 3.2: Bảng chọn vector điện áp tối ưu trễ 3 vị trí 61

ψL Vectơ từ thông ảo của lưới

ψLα Thành phần vectơ từ thông ảo của lưới trên hệ trục toạ độ α β -

ψLβ Thành phần vectơ từ thông ảo của lưới trên hệ trục toạ độ α β -

ψLd Thành phần vectơ từ thông ảo của lưới trên hệ trục toạ độ d – q

ψLq Thành phần vectơ từ thông ảo của lưới trên hệ trục toạ độ d – q

uL Vectơ điện áp lưới

uLα Thành phần vectơ điện áp lưới trên hệ trục toạ độ α β -

uLβ Thành phần vectơ điện áp lưới trên hệ trục toạ độ α β -

uLd Thành phần vectơ điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d – q

uLq Thành phần vectơ điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d – q

iL Vectơ dòng điện lưới

iLα Thành phần vectơ dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ α β -

iLβ Thành phần vectơ dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ α β -

iLd Thành phần vectơ dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d – q

iLq Thành phần vectơ dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d – q

uSα Thành phần vectơ điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ α β -

uSβ Thành phần vectơ điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ α β -

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

uSq Thành phần vectơ 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

4Q Four (4) Quater (Bốn góc phần tư)

VSI Voltage Source Inverter

MC Matrix Converter

SVM Space Vector Modulation

CSI Current Source Inverter

AC Alternating current

DC Direct current

PID Proportional Integral Derivative

GTO GTO – Gate turn off thyristor

-IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

VSC Voltage Source Converter

DFIG Doubly-Fed Induction Generator

PLL Phase Locked Loop

PWM Pulse Width Modulation (Điều chế độ rộng xung)

DPC Direct Power Control (Điều khiển trực tiếp công suất)

DTC Direct Toque Control (Điều khiển trực tiếp mômen)

DPF Displacement Power Factor (Hệ số công suất dịch chuyển)

FOC Field Oriented Control (Điều khiển tựa từ trường)

VOC Voltage Oriented Control (Điều khiển tựa theo điện áp lưới)

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG

ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

1.1 Tổng quan về động cơ đồng bộ

1.1.1 Khái quát chung

Động cơ đồng bộ ba pha, trước đây thường dùng cho loại truyền

động không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn hàng trăm kW đến hàng

MW ( truyền động cho các máy nén khí, quạt gió, bơm nước, máy nghiền

v.v…) Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử và

công nghệ vật liệu, động cơ đồng bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều

trong công nghiệp, ở mọi loại dải công suất từ vài trăm W ( truyền động

cho cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, cơ cấu chuyển động của tay máy,

người máy), đến hàng MW ( cho các truyền động kéo tàu tốc độ cao, máy

nghiền, máy cán v.v…) Có thể phân loại động cơ xoay chiều đồng bộ ba

pha ra làm hai loại chính:

- Loại rôto có kích từ bằng điện với dải công suất lớn từ vài trăm tới

vài Mw Cuộn kích từđược cuốn theo cực ẩn hoặc cực lồi

- Loại rôto là nam châm vĩnh

cửu với dải công suất nhỏ

tốc độ quay của động cơ

trong đó: fs là tần số nguồn cung cấp;

p là số đôi cực của động cơ

Từ (1-1) ta thấy điều chỉnh tần số

nguồn cung cấp sẽ điều chỉnh

được tốc độ động cơ Do vậy cấu

Với giả thiết mạch từ động cơ chưa bão hoà, các cuộn dây stato ba pha

Hình 1.1 Động cơ đồng bộ cực lồi ba pha

lý tưởng

đối xứng, các tham số của động cơ không thay đổi Dây quấn rôto mang dòng điện một chiều, ta có thể coi rằng nam châm điện rôto tạo ra từ thông khe hở không khí, từ thông này tác động với dòng điện stato tạo mômen kéo rôto quay Vì rôto luôn quay đồng bộ vởi từ trường stato (độ trượt bằng không) nên có thể gắn một hệ trục quay đồng bộ vào rôto, hệ trực giao này gọi là hệ

d, q, trong đó trục d trùng với “cực bắc” của nam châm rôto

Hình 1-1 là động cơ cực lồi bởi vì khe hở không khí là không đều, điều này tạo ra sự không đối xứng của mạch từ dọc theo trục d và trục q, trong trường hợp rôto được cấu tạo kiểu hình trụ tròn xoay với khe hở đều thì ta có động cơ đồng bộ cực ẩn Ngoài dây quấn kích từ, trên rôto còn có thể có dây quấn cản, giống hệt dây quấn của động cơ không đồng bộ dùng để khởi động

và oq Từ thông phản kháng của phần ứng Ψ a được cộng vào từ thông kích từ Ψ kđể tạo thành từ thông Ψs

Đồ thị véc tơ trong hệ trục

dq cũng có thể áp dụng cho máy điện cực ẩn, nếu coi

ds qs

X = X

Từ đồ thị véc tơ Hình 1.2a

có thể viết:

Công suất động cơ nhận từ lưới, cũng coi gần đúng là công suất điện từ

2 Mô tả toán học động cơ đồng bộ

Với giả thiết mạch từ động cơ chưa bão hòa, các cuộn dây stato ba pha đối xứng, các tham số động cơ không thay đổi, ta có thể dùng phương pháp biến đổi tuyến tính mô tả quá trình điện từ của động cơ trên hệ tọa độ d,q hoặc α, β tương tự như động cơ không đồng bộ Mô tả toán học động cơ đồng bộ đơn giản hơn vì rôto quay cùng tốc độ với từ trường quay stato Cụ thể trên hệ tọa độ d, q ta có 5 phương trình cân bằng điện áp: hai phương trình cho điện áp stato, hai phương trình cho điện áp một cuộn khởi động và một phương trình cho cuộn kích từ Trong đó u I R Lfr, fr, fr, Lfr được quy đổi về stato (Ký hiệu s ≡ d

Hình 1.4 Giản đồ thay thế máy điện đồng bộ theo trục tọa độ d – q

Cũng có thể thấy rằng nếu giữ tỷ số Us /ωe là hằng số (điện áp stato luôn tỷ lệ với tần số), từ thông kích thích và góc tải không đổi thì mômen điện

từ của động cơ sẽ là không đổi

3 Khởi động và hãm động cơ đồng bộ kích từ quấn dây

Đặc tính cơ động cơ đồng bộ trình bày trên Hình 1.4a (đường 1) ta thấy bản thân động cơ không sinh ra mômen khởi động Do vậy bắt buộc khi chế tạo và sử dụng động cơ cần quan tâm tới vấn đề khởi động động cơ từ tốc độ bằng không lên đến tốc độ đồng bộ

Biện pháp thông dụng là khi chế tạo động cơ người ta đã thiết kế phần khởi động nằm trong rôto động cơ, để trong quá độ từ tốc độ từ thông đến gần tốc độ đồng bộ nó hoạt động như động cơ không đồng bộ Vì vậy người ta gọi

là khởi động không đồng bộ ( khi động cơ làm việc ở tốc độ đồng bộ các cuộn khởi động này hết tác dụng)

Đối với phụ tải yêu cầu khởi động như máy bơm, quạt gió người ta chế tạo cuộn khởi động dạng lồng sóc Đối với phụ tải yêu cầu khởi động nặng như máy nghiền, máy nén khí người ta chế tạo cuộn khởi động dạng dây quấn

để có thể dùng biện pháp khởi động qua các cấp điện trở tạo mômen khởi động lớn Quá trình khởi động được chia làm hai giai đoạn:

- Khởi động không đồng bộ: đưa tốc độ động cơ đến tốc độ gần đồng bộω=0,98 ωdb

- Vào đồng bộ đưa tốc độ động cơ từ 0,98ωdb đến ωdb

a) Quá trình khởi động không đồng bộ

Trong giai đoạn này, ngoài việc đảm bảo mômen khởi động, ta cần giải quyết quá áp trong cuộn dây kích từ Khi khởi động không đồng bộ

thông thường cuộn dây kích từ không tham gia, nó có số vòng dây lớn hơn nhiều so với số vòng dây cuộn stato, do vậy khi độ trượt s ≈1 cuộn kích từ cảm ứng sức điện động có giá trị lớn dẫn đến phá thủng cách điện Biện pháp làm giảm sức điện động cảm ứng thường dùng là cấp cho nó tải điện trở đủ lớn (gọi là điện trở phóng điện) Giá trị điện trở phóng điện Rfđ được chọn cơ (9 ÷ 10) lần điện trở kích từ nhằm làm giảm điện áp rơi trên cuộn kích từ chống quá áp

b) Giai đoạn vào đồng bộ

Để đưa tốc độ động cơ từ ω=0,98ωdb đến ωdb ta phải tạo ra mômen vào đồng bộ, bằng cách đưa vào cuộn kích từ dòng kích từ lớn Iktmax = 1,5 ÷ 1,8 Iktmax Lúc này mômen động cơ là tổng hợp mômen không đồng bộ (do cuộn khởi động tạo nên) và mômen vào đồng bộ (do từ thông kích từ và dòng stato tạo nên) Nếu tốc độ động cơ được đưa đến tốc độ đồng bộ thì khởi động thành công Khi ω=ωdb thì dòng kích từ được điều chỉnh về dòng kích từ định mức Cuộn dây khởi động sẽ có sức điện động cảm ứng bằng không nên hết tác dụng

Nguyên lý mạch khởi động được trình bày trên Hình 1.5b và đặc tính khởi động không đồng bộ là đường 2 (Hình 1 a) Tiếp điểm công tắc tơ M 5đóng kích từ, tiếp điểm công tắc tơ K là gia cường kích từ

Để nhận biết được thời điểm vào đồng bộ ta có thể dùng nhiều giải pháp, người ta thường dùng là đo tần số trượt hoặc tính thời gian quá độ Hãm động cơ đồng bộ gồm hai phương pháp Hãm tái sinh (đường 1’-Hình 1.5a) và Hãm động năng (đường 3 – Hình 1 b).5

Trong thực tế, động cơ đồng bộ được chế tạo ở các dải công suất:

- Rất nhỏ: vài trăm W đến vài kW

Ở dải công suất trung bình, động cơ đồng bộ dùng cho phụ tải yêu cầu vùng điều chỉnh không rộng lắm, lúc đó bộ biến đổi được dùng là biến tần

tiristo, nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên, hoặc nguồn áp

Ở dải công suất lớn, động cơ đồng bộ thường dùng cho các máy bơm, nén khí, máy nghiền và kéo tàu v.v với vùng điều chỉnh cỡ 10:1 trong các trường hợp này bộ biến đổi được dùng có hai loại: Biến tần tiristo nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên và biến tần trực tiếp

1.2.2 Truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ kích từ dây quấn dùng biến tần nguồn áp

Mạch nguyên lý của truyền động được trình bày trên Hình 1.6 trong đó biến tần có 6 van (V1 ÷ V6 ) (là tranzisto công suất) và 6 điốt ngược (D1 ÷ D6) Trong trường hợp góc dẫn các van là 1800 , điện áp dây sẽ là 1200 Khởi động hệ bằng phương pháp không đồng bộ

Mômen động cơ, trong trường hợp này được tính bằng biểu thức quen thuộc:

trong đó: Te - mômen trung bình

p- sốđôi cực của động cơ

Xd - điện kháng trục dọc Xd =ωLd

E- sức điện động động cơ E C = Φ ( ) i ω

U1- thành phần điều hoà bậc 1 điện áp,U1= K U0 0

δ- góc lệch pha giữa sức điện động E và điện áp U1

Hình 1.6 Mạch lực của truyền động động cơ đồng bộ

dùng biến tần nguồn áp

Khi điều chỉnh tốc độ động cơ ta có hai trường hợp:

- Điện áp U 0được điều chỉnh sao cho tỷ số U0 c ons t

ω = và kích từ không đổi ở vùng tốc độ dưới tốc độ cơ bản

Trong trường hợp này, mômen động cơ chỉ phụ thuộc vào góc δ

- Điện áp U0 = c ons t: dùng khi giảm từ thông ở tốc độ trên tốc độ định mức Tỷ số ons

Hình 1.7 Đặc tính mômen, điện áp động cơ đồng bộ

1.3 Giới thiệu chỉnh lưu PWM

1.3.1 Những chỉ tiêu, yêu cầu làm việc với lưới và những vấn đề cần nghiên cứu trong chỉnh lưu Diode và Thyristor

1 Giới thiệu chung về chỉnh lưu:

Chỉnh lưu là thiết bị dùng để biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều

Chỉnh lưu được phân loại tùy theo 3 cách sau đây:

a) Phân loại theo loại van bán dẫn sử dụng trong mạch van:

- Chỉnh lưu không điều khiển: là loại chỉnh lưu mà mạch van chỉ sử dụng toàn diode

- Chỉnh lưu điều khiển: là loại chỉnh lưu mà mạch van chỉ sử dụng toàn Thyristor

- Chỉnh lưu bán điều khiển: là loại chỉnh lưu mà mạch van sử dụng cả diode và thyristor

b) Phân loại theo số pha của điện áp xoay chiều cấp cho mạch:

- Chỉnh lưu 1 pha

- Chỉnh lưu 2 pha

- Chỉnh lưu 3 pha

- Chỉnh lưu 6 pha (ít dùng)

c) Phân loại theo sơ đồ của mạch van:

- Sơ đồ hình tia: trong sơ đồ này số lượng van bằng số pha nguồn cấp cho mạch van và các van đấu chung một đầu nào đó với nhau (catôt chung hoặc anôt chung)

- Sơ đồ hình cầu: trong sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van và một nửa số van mắc chung nhau catôt, nửa kia mắc chung nhau anôt

- Sơ đồ kiểu đa giác (ít dùng)

Chỉnh lưu được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống:

- Trong các bộ nguồn: trong TV, máy tính, tàu điện, bộ nạp, mạ điện

- Trong truyền động một chiều

- Dùng cấp cho bộ nghịch lưu

Hình 2.8 Sơ đồ chỉnh lưu cầu diode ba pha

2 Những thông số đánh giá chỉnh lưu đối với lưới điện:

a Thành phần điều hoà bậc cao:

Có nhiều nguyên nhân gây ra sóng điều hoà bậc cao trong lưới điện xoay chiều, trong đó một lý do quan trọng đó là do bộ chỉnh lưu thực tế là các phần tử phi tuyến Thành phần điều hoà bậc cao gây tổn thất phụ và làm nhiễu lưới điện Nó cũng làm ảnh hưởng đến hoạt động của máy biến áp và van điện nếu công suất phụ tải đủ lớn

Do đó hiệp hội Kỹ thuật điện thế giới đã đưa ra chỉ tiêu sau:

σv[p.j]

Tác dụng lên lưới

m

Sóng điều hoà bậc cao được khảo sát

vmax

P /

áp lưới

U1[KV]

Uk= 0,05

Bảng 1.1 Chỉ tiêu độ méo điện áp lưới

b Hệ số công suất cosϕ:

Chỉnh lưu Diode và chỉnh lưu Thyristor phụ tải điện dung làm cho hiệu điện thế chậm dẫn hơn so với dòng điện Điều đó dẫn tới sự tiêu thụ công suất phản kháng trên lưới làm cho hệ số công suất cos nhỏ.ϕ

Các thông số tính toán:

- Hệ số méo RF (Ripple Factor):

Hệ số méo (RF) xác định độ méo của dòng điện lưới Nó được định nghĩa như sau:

RF = Giá trị hiệu dụng của dòng cơ bản/Giá trị hiệu dụng dòng điện cấp

2 2

1 1

n sn s

s

I I

I (1.12)

Hình 1.9 Hình dạng của dòng điện và điện áp lưới

- Hệ số công suất dịch chuyển DPF (Displacement Power Factor):

Trong bộ chuyển đổi điều khiển 3 pha dòng cơ bản lưới thường trễ so với điện áp cơ bản 1 góc dịch chuyển ø như trên hình 1.2 Ta định nghĩa hệ số công suất dịch chuyển như sau:

DPF = Giá trị công suất trung bình/(Điện áp cơ bản Dòng điện cơ bản)

= cosφ cos φ

1 1 1

s s

s s s

s V I

I V I V

P (1.13)

Trong đó:

Vs: là điện áp cơ bản

Is1 : là dòng điện cơ bản

- Hệ số công suất PF (Power Factor):

Hệ số công suất PF được định nghĩa như sau:

PF = Giá trị công suất trung bình/(Điện áp cấp Dòng điện cấp) =

2 2

1 1

n n s

s I I V

P (1.14)

1 1

, 2 , 1

2 2

1

1

1 cos cos

n n s

s

n n s

s

s

I I

I I

I V

I V

- Chỉnh lưu dùng Diode có hệ số méo RFlớn

- Hệ số méo lớn dẫn đến hệ số công suất thấp

c Trao đổi công suất giữa tải và lưới:

Đối với truyền động xoay chiều dùng chỉnh lưu Diode, Thyristor có yêu cầu trao đổi năng lượng giữa tải động cơ với lưới điện giải thoát năng lượng

- Trong trường hợp lưới có nhiều bộ biến đổi (n bộ biến đổi) có cùng số xung đầu ra m ta có thể dùng các biến áp cấp cho bộ biến đổi có góc lệch điện

áp ra quan hệ với nhau 1 góc

n m.

360

=

δ , khi đó sóng điều hoà bậc cao sẽ giảm

- Khi công suất của bộ biến đổi lớn đối với lưới, ta bố trí mạch lọc đầu vào bộ biến đổi Nhìn chung, lưới điện có nhiều bộ biến đổi sẽ phát ra ít sóng điều hoà hơn so với lưới có 1 bộ biến đổi có công suất tương đương

- Bộ lọc được thiết lập thành nhóm mạch LC cộng hưởng nối tiếp, nó sẽ ngắn mạch dòng điện điều hoà bậc cao

- Bộ lọc cũng có thể bố trí 1 bộ lọc dải rộng

Hình 1.11 Các phương pháp bố trí bộ lọc

Để khắc phục hiện tượng cosφ thấp, tiêu thụ công suất phản kháng lớn, ta sử dụng biện pháp bù công suất phản kháng (bố trí mạch bù động dùng máy đồng bộ)

Tuy nhiên các giải pháp nêu trên có nhược điểm là phải đầu tư vào thiết bị phụ quá nhiều, ảnh hưởng đến vấn đề kinh tế

Với truyền động xoay chiều cần giải quyết vấn đề năng lượng Đối với các loại chỉnh lưu diode và thyristor tự bản thân nó không thể thực hiện việc trao đổi công suất giữa tải và lưới Có 2 phương pháp khắc phục đó là:

- Dùng hãm dập năng lượng mạch 1 chiều (Dùng điện trở dập 1 chiều)

Luíi xoay chiÒu

Hình 1.12 Trao đổi năng lượng dùng điện trở dập

- Dùng chỉnh lưu làm việc chế độ nghịch lưu trả về lưới

− +

− +

Luíi xoay chiÒu

Hình 1.13 Trao đổi năng lượng dùng mạch nghịch lưu.

Trong trường hợp dùng điện trở dập nếu công suất cao thì đòi hỏi phải

có điện trở lớn khó khăn trong việc chế tạo và giá thành cao Còn trong trường hợp mắc thêm bộ nghịch lưu thì cũng gây tốn kém

- Đối với hệ không thực hiện trả năng lượng dùng hãm điện trở Những

hệ có công suất từ 1MW trở lên dùng hãm điện trở khó khăn

Những phương pháp vừa nêu trên còn tồn tại những vấn đề như: hệ thống cồng kềnh, đầu tư lớn, lọc sóng hài bậc cao khó, khi công suất hệ lớn thì điều chỉnh khó khăn Như vậy vấn đề đặt ra ở đây là phải tìm ra một loại chỉnh lưu tự nó thoả mãn những yêu cầu đã nêu trên

1.3.2 Chỉnh lưu PWM

i.Nhiệm vụ:

Từ những năm 90 của thế kỷ XX, khi công nghệ chế tạo Tranzitor phát triển, chịu được điện áp đến hàng KV, dòng điện đến hàng KA, chỉnh lưu tích cực đã được nghiên cứu, chế tạo để đạt được những yêu cầu sau:

- Trao đổi được năng lượng giữa động cơ và lưới Khi năng lượng của động cơ lớn, năng lượng dư thừa có thể chảy ngược về nguồn

- Tăng hệ số công suất

- Giảm sóng điều hoà bậc cao dội vào lưới để cải thiện chất lượng điện năng (làm sin dòng điện đầu vào)

ii.Cấu trúc mạch lực và hoạt động của chỉnh lưu PWM:

a Giới thiệu chung:

Hình 1.14 Cấu trúc cơ bản của chỉnh lưu PWM

Hình 1.14 đưa ra cấu trúc phổ biến nhất trong điều chỉnh tốc độ truyền động và gần đây nó được sử dụng như một bộ chỉnh lưu PWM Cấu trúc thông dụng này có các ưu điểm là: sử dụng các module 3 pha giá thành thấp

và năng lượng có khả năng chảy 2 chiều

Đây là cấu trúc có triển vọng nhất nên đang được nghiên cứu và phát triển

Trong hệ thống phân bố năng lượng một chiều hay biến đổi xoay chiều/ một chiều/ xoay chiều, năng lượng xoay chiều đầu tiên được biến đổi sang một chiều nhờ vào chỉnh lưu ba pha PWM Nó cho hệ số công suất bằng 1 và dòng điện chứa ít thành phần sóng điều hoà bậc cao

Hình 1.15 Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều

Các bộ biến đổi này nối với đường truyền một chiều sẽ mang lại cho tải những chuyển đổi mong muốn như thay đổi tốc độ truyền động động cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, bộ biến đổi từ một chiều sang một chiều, hoạt động đa truyền động, v.v

Hình 1.16 Hệ thống phân phối điện năng 1 chiều

Thêm vào đó, biến đổi xoay chiều/ một chiều/ xoay chiều sẽ mang lại một số ưu điểm sau:

- Động cơ có thể hoạt động ở tốc độ cao hơn mà không cần giảm từ trường (bởi sự duy trì điện áp đường truyền 1 chiều trên điện áp đỉnh của nguồn cấp)

- Về lý thuyết, giảm được 1/3 điện áp so sánh với cấu hình quy ước do điều khiển đồng thời chỉnh lưu và nghịch lưu

- Phản ứng của bộ điều khiển điện áp có thể được cải tiến bởi tín hiệu đưa đến từ tải dẫn đến giảm đến mức tối thiểu điện dung 1 chiều, trong khi việc duy trì được điện áp 1chiều dưới giới hạn cho phép thay đổi tải

b Cấu trúc mạch lực:

(a)

(b)

Hình 1.17 Biểu diễn đơn giản của chỉnh lưu 3 pha PWM

cho công suất chảy 2 chiều

a) Mạch chính b) Biểu diễn 1 pha của mạch chỉnh lưu

Mạch chỉnh lưu PWM cấu tạo bởi 6 Tranzitor mắc ngược với 6 Diode như hình vẽ Ở phía mạch một chiều có tụ điện C với dung lượng đủ lớn, điện

áp đủ cao Phía xoay chiều có điện cảm đầu vào L

Hình 1.18 (b) biểu diễn 1 pha của mạch chỉnh lưu giới thiệu ở hình 1.10(a) L và R là điện cảm, điện trở của lưới, UL là điện áp lưới và US là điện

áp bộ chuyển đổi có thể điều khiển được từ phía 1 chiều Biên độ Us phụ thuộc vào chỉ số điều chế và cấp điện áp 1 chiều

c Giản đồ vector:

Hình 1.18 Giản đồ pha cho chỉnh lưu PWM

a) Giản đồ pha thông thường

b) Chỉnh lưu tại hệ số công suất bằng 1 c) Đảo tại hệ số công suất bằng 1(hãm tái sinh)

Hình 1.18 cho ta giản đồ pha thông thường và giản đồ pha đối với trường hợp chỉnh lưu và hãm tái sinh khi đòi hỏi hệ số công suất bằng 1 Hình

vẽ cho thấy vector điện áp us trong quá trình tái sinh cao hơn (lên đến 3%) so với chế độ chỉnh lưu Muốn cho hệ số công suất cosφ đạt bằng 1 thì ta phải điều khiển cho vector điện áp uL và dòng điện iL trùng hoặc ngược chiều

nhau Điều đó có thể đạt được bằng cách điều khiển vector điện áp us hay điều khiển góc lệch ε giữa us và uL

d Các trạng thái chuyển mạch:

Điện áp bộ biến đổi cầu có thể được đặc trưng bởi 8 trạng thái chuyển mạch (6 trạng thái tích cực và 2 trạng thái 0) được mô tả bởi phương trình:

/3 1

(2 / 3)

0 50

jk dc k

u e

π +



Hình 1.19 Trạng thái chuyển mạch của bộ chuyển đổi cầu PWM

Điều khiển các trạng thái chuyển mạch sẽ cho ta dòng điện lưới trùng pha với điện áp lưới và có dạng hình sin

e Điều kiện hoạt động:

áp rơi trên cuộn cảm cũng ảnh hưởng tới dòng điện nguồn Điện áp rơi này được điều chỉnh bởi điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM nhưng giá trị lớn nhất được giới hạn bởi điện áp 1 chiều Do đó, dòng điện lớn(công suất lớn) qua cảm kháng cũng cần điện áp một chiều lớn hay cảm kháng nhỏ

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU PWM 2.1 Các cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM:

Có rất nhiều cấu trúc điều khiển được đưa ra cho chỉnh lưu PWM Các cấu trúc điều khiển này đều nhằm mục đích đạt được hệ số công suất cao và dạng dòng điện gần hình sin nhưng nguyên tắc hoạt động của chúng là khác nhau Sau đây là bảng tổng hợp các phương pháp điều khiển đó:

Hình 2.1 Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM.

- Điều khiển dựa trên điện áp: đây là phương pháp điều khiển mà trước hết cần ước lượng điện áp lưới theo công thức: điện áp lưới bằng tổng điện áp rơi trên cuộn cảm và điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu Sau đó, dựa trên điện áp lưới đã được ước lượng để tiến hành điều khiển bằng dòng điện (gọi là phương pháp điều khiển tựa trên điện áp VOC) hay công suất (gọi là phương pháp điều khiển trực tiếp công suất DPC)

- Cấu trúc điều khiển VOC (Voltage Oriented Control): cấu trúc này có

sử dụng mạch vòng điều khiển dòng điện Đây là cấu trúc đã được phát

và công suất phản kháng Do đó khi thực hiện cấu trúc DPC phải ước lượng nhanh và chính xác công suất tác dụng và công suất phản kháng

- Điều khiển dựa trên từ thông ảo: đây là phương pháp điều khiển mà trong đó ta phải ước lượng từ thông ảo của lưới bằng việc áp dụng phương pháp điều khiển từ thông stator cho lưới điện Sau đó tiến hành điều khiển bằng mạch vòng dòng điện (VFOC) hay điều khiển theo công suất (VF_DPC) VFOC tương tự như VOC, còn VF_DPC tương tự như DPC chỉ khác nhau ở chỗ điều khiển dựa trên điện áp hay dựa trên từ thông ảo

2.2 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM:

Hình 2.2 cho ta mối quan hệ cơ bản giữa các vector điện áp và dòng điện trong chỉnh lưu PWM

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lưu PWM

2.2.1 Mô tả dòng điện và điện áp nguồn:

Điện áp nguồn 3 pha:

Em: Biên độ điện áp pha

2

β

α L L m

2.2.2 Mô tả điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM:

Điện áp dây đầu vào chỉnh lưu PWM mô tả theo hình 1.12:

dc b a

Sbc S S u

(2.7 c) Điện áp pha được tính theo công thức:

)(

a

SSS

b

SSS

c

SSS

a Mô hình chỉnh lưu PWM trong khung toạ độ tự nhiên:

Phương trình điện áp cân bằng 3 pha không trung tính viết theo hình 1.11b như sau:

c b a

c b a

c

b

a

u u u i i

i dt

d L i i

i R