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
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 ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN BACK-TO-BACK CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NGUYỄN HOÀNG KHÁNH Hà Nội 2008 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205195771000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HOÀNG KHÁNH NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN BACK-TO-BACK CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Phạm Văn Diễn Hà Nội - 2008 LỜI NÓI ĐẦU Truyền động điện có nhiệm vụ thực cơng đoạn cuối công nghệ sản xuất Từ trước đến nay, hệ truyền động luôn quan tâm nghiên cứu, nâng cao chất lượng, đáp ứng yêu cầu ngày cao công nghệ Sự đời thiết bị điện tử cơng suất hồn thiện hơn, ưu việt góp phần cải thiện chất lượng biến đổi điện tử công suất hệ truyền động điện nhiều, đáp ứng độ tác động nhanh, độ xác cao mà cịn giảm kích thước giá thành hệ Khơng nằm ngồi quy luật đó, truyền động biến tần sử dụng hệ thống công suất từ nhỏ đến lớn, từ vài trăm W đến vài MW với ưu điểm điều chỉnh động dễ dàng, tiết kiệm lượng Tuy nhiên với truyền động biến tần dùng chỉnh lưu Diod, Thyristor tồn nhược điểm như: sóng điều hồ bậc cao gây méo điện áp lưới, hệ số công suất thấp, khơng có trao đổi lượng lưới tải Trong năm gần (thập kỷ 90 kỷ XX), công nghệ chế tạo Tranzitor phát triển, tạo Tranzitor chịu điện áp đến hàng KV, dòng điện đến hàng KA giải hầu hết nhược điểm nói Biến tần dùng chỉnh lưu PWM nghiên cứu chế tạo đáp ứng yêu cầu: - Trao đổi lượng hai chiều tải lưới - Giảm sóng điều hoà bậc cao dội lưới, giúp nâng cao chất lượng điện áp lưới - Tăng hệ số công suất cosφ, trì hệ số cơng suất ln xấp xỉ Do thực trao đổi lượng hai chiều, biến tần có khả làm việc góc phần tư, nên gọi biến tần làm việc góc phần tư (biến tần Q) Loại biến tần làm cho đặc tính làm việc hệ truyền động tốt tiết kiệm lượng vận hành Mặt khác, động đồng biết đến thiết bị có cơng suất lớn, nên việc sử dụng biến tần BTB nhằm trả lượng lại lưới điện mang ý nghĩa lớn thực tiễn vận hành Trong phạm vi đồ án 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 1, giảm sóng điều hồ bậc cao trao đổi lượng lưới tải Xem xét hiệu phương pháp điều khiển VF-DPC cho chỉnh lưu PWM gắn với phần nghịch lưu điều khiển theo phương pháp DTC (điều khiển trực tiếp momen) Trong hầu hết nghiên cứu phương pháp điều khiển, có tính đến việc ước lượng tham số không đo trực tiếp từ thông…, điên trở stator bỏ qua nhằm giảm khối lượng tính tốn Tuy nhiên, việc bỏ qua tham số động làm giảm độ xác q trình điều khiển Bản đồ án có đề cập đến ảnh hưởng điện trở điện trở stator việc ước lượng giá trị từ thông, đề xuất phương pháp ước lượng thay đổi điện trở stator yếu tố nhiệt độ môi trường… làm giá trị điện trở thay đổi Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng mơ hình mơ Matlab Simulink Nội dung đồ án gồm: - Chương 1: Giới thiệu chung hệ truyền động biến tần cho động đồng - Chương 2: Điều khiển chỉnh lưu PWM - Chương 3: Biến tần nguồn áp cho động đồng dùng chỉnh lưu PWM; Xem xét ảnh hưởng điện trở stator đến chất lượng điều khiển biến tần - Chương 4: Mơ hình mơ Matlab - Chương 5: Kết mô - Chương 6: Kết luận kiến nghị nhằm nâng cao chất lượng hệ thống Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em nhận hướng dẫn, bảo tận tình quý báu thầy TS Phạm Văn Diễn thày cô giáo công tác Bộ mơn Tự động hố xí nghiệp cơng nghiệp - Khoa Điện - Đại học Bách Khoa Hà Nội Em xin bày tỏ lòng biết ơn bạn bè, người thân giúp đỡ em suốt thời gian hoàn thành đồ án Tuy nhiên thời gian kiến thức có hạn nên đồ án khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đánh giá, góp ý thầy, bạn Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 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 động đồng 13 1.1.1 Khái quát chung 13 1.1.2 Động đồng chế độ xác lập 13 1.2 Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động đồng 19 1.2.1 Phân loại: 19 1.2.2 Truyền động điều chỉnh tốc độ động đồng kích từ dây quấn dùng biến tần nguồn áp 20 1.3 Giới thiệu chỉnh lưu PWM 21 1.3.1 Những tiêu, yêu cầu làm việc với lưới vấn đề cần nghiên cứu chỉnh lưu Diode 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 Mơ tả tốn học chỉnh lưu PWM: 35 2.2.1 Mơ tả dịng điện điện áp nguồn: 36 2.2.2 Mô tả điện áp vào 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 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 đồng điều chỉnh trực tiếp momen: 52 3.2.1 Cấu trúc chung hệ điểu khiển trực tiếp mô men 52 3.2.2 Mơ hình ước lượng từ thơng: 57 3.2.3 Mơ hình ước lượng momen điện từ: 60 3.2.4 Bảng chọn lựa vector điện áp tối ưu: 60 3.3 Ảnh hưởng điện trở stato 63 CHƯƠNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG BẰNG MATLAB 67 4.1 Mơ hình mơ chỉnh lưu PWM theo phương pháp điều khiển DPC: 67 4.1.1 Khối chỉnh lưu PWM: 69 4.1.2 Khối ước lượng cơng suất tính góc lệch: 70 4.1.3 Khối tính sector: 71 4.1.4 Bảng chọn: 72 4.2 Mơ hình mơ 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 hệ toạ độ α-β: 78 4.2.4 Khối tính dịng điện stator hệ trục toạ độ α-β: 79 4.2.5 Khối tính thành phần từ thơng stator hệ trục toạ độ α-β: 79 4.2.6 Khối tính momen: 80 4.2.7 Khối tính từ thơng stator: 81 4.2.8 Khối kích từ cho động đồng 81 4.3 Mô 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 hãm tái sinh: 88 5.2.2 Giảm tốc độ động có xảy hãm tái sinh 90 5.3 Quá trình động làm việc với tải 92 5.4 Ảnh hưởng điện trở Stator 95 5.5 Kết luận: 97 CHƯƠNG 6: TỔNG KẾT VÀ MỘT SỐ KIẾN NGHỊ 99 6.1 Tổng kết 99 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 đồng cực lồi ba pha lý tưởng 13 Hình 1.2: Đồ thị vector động đồng 14 Hình 1.3 Đặc tính mơmen – góc tải động đồng cực lồi 15 Hình 1.4 Giản đồ thay máy điện đồng theo trục tọa độ d – q 17 Hình 1.5 Đặc tính khởi động hãm 19 Hình 1.6 Mạch lực truyền động động đồng 20 Hình 1.7 Đặc tính mơmen động đồng 21 Hình 1.8 Sơ đồ chỉnh lưu cầu diode ba pha 22 Hình 1.9 Hình dạng dịng điện điện áp lưới 24 Hình 1.10 Điện áp chiều, hệ số RF, DPF, PF 25 Hình 1.11 Các phương pháp bố trí lọc 26 Hình 1.12 Trao đổi lượng dùng điện trở dập 27 Hình 1.13 Trao đổi lượng dùng mạch nghịch 27 Hình 1.14 Cấu trúc 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 chiều 30 Hình 1.17 Biểu diễn đơn giản chỉnh lưu pha PWM cho công suất chảy chiều 30 Hình 1.18 Giản đồ pha cho chỉnh lưu PWM 31 Hình 1.19 Trạng thái chuyển mạch chuyển đổi cầu PWM 32 Hình 2.1 Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM 34 Hình 2.2 Mối quan hệ vector chỉnh lưu PWM 35 Hình 2.3 Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM hệ toạ độ tự nhiên 36 Hình 2.4: Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM khung toạ độ α-β 40 Hình 2.5 Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM hệ tọa độ d-q 41 Hình 2.6 Dịng cơng suất biến đổi AC/DC hai chiều phụ thuộc vào hướng iL 42 Hình 2.7 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển DPC 43 Hình 2.8 Phân chia sector cho phương pháp DPC VF_DPC 44 Hình 2.9 Khối ước lượng công suất tức thời dựa từ thơng ảo 45 Hình 3.1 Các phương pháp điều khiển động đồng 47 Hình 3.2 Sơ đồ điều khiển id → 49 Hình 33: Sơ đồ điều khiển trực tiếp momen 52 Hình 3.4: Trạng thái thay đổi vectorơ từ thông stator áp đặt vector điện áp 54 Hình 3.5:Sơ đồ van biến tần 55 Hình 3.6: Các vector điện áp tạo biến tần 56 Hình 3.7: Quỹ đạo vector từ thơng stator 57 Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc phương pháp ước lượng 58 Hình 2.9: Sơ đồ thuật tốn ước lượng thành phần toạ độ vector từ thông stator 59 Hình 3.10 : Khơng gian phân chia sector 60 Hình 3.11: Đặc tính làm việc khâu so sánh có trễ vị trí 61 Hình 3.12: Đặc tính làm việc khâu so sánh có trễ vị trí 62 Hình 3.13 Khối ước lượng điện trở stato 65 Hình 4.1 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển DPC 66 Hình 4.2 Mơ hình mơ chỉnh lưu PWM theo phương pháp điều khiển DPC 68 Hình 4.3 Khối chỉnh lưu PWM 69 Hình 4.4 Khối ước lượng cơng suất 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 dq = 73 Hình 4.12 Bảng tra dq = 73 Hình 4.13 Mơ hình mô 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 U sα, Usβ 77 Hình 4.19 Cấu trúc chi tiết khối tính điện áp 77 Hình 4.20 Khối tính dịng điện is α , isβ 78 Hình 4.21 Cấu trúc chi tiết khối tính dịng điện 78 Hình 4.22 Khối f(u) 78 Hình 4.23 Khối tính ψ sα ψ sβ 78 Hình 4.24 Cấu trúc chi tiết 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 thơng stator 80 Hình 4.29 Khối điều khiển điện áp kích từ cho động đồng 81 Hình 4.30 Mơ hình mơ hệ truyền động biến tần ĐCĐB với chỉnh lưu PWM điều khiển DPC nghịch lưu điều khiển DTC 82 Hình 5.1: Điện áp chiều sau chỉnh lưu 84 Hình 5.2: Đặc tình tốc độ động trình khởi động 85 Hình 5.3: Đặc tình momen động trình khởi động 85 Hình 5.4: Đặc tình động trình khởi động 86 Hình 5.5 Điện áp đo cuộn kích từ động đồng 86 Hình 5.6: Đặc tính tốc độ động tốc độ giảm từ ωdb xuống 141rad/s với tải định mức 88 Hình 5.7: Đặc tính momen động tốc độ giảm từ ω db xuống ω m1= 141rad/s với tải định mức 88