Thiết kế, xây dựng hệ thống truyền động ông suất lớn sử dụng biến tần nguồn dòng

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- NGUYỄN TRỌNG CHIẾNTHIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÔNG SUẤT LỚN SỬ DỤNG BIẾN TẦN NGUỒN DÒNGLUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -

NGUYỄN TRỌNG CHIẾN

THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÔNG

SUẤT LỚN SỬ DỤNG BIẾN TẦN NGUỒN DÒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN LIỄN

Hà Nội – Năm 2010

Trang 2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Trang 3

2.2 Nguyên lý hoạt động chung của biến tần thyristor 6 bước

(six-step thyristor inverter)

20

Trang 4

2.2.1.1 Chế độ 1: hoạt động theo kiểu chỉnh lưu chuyển mạch tải

2.4.1 Nghịch lưu nguồn dòng tự động tuần tự

(ASCI-Auto Sequential Current Fed Inverter)

49

Chương III: Nghịch lưu điều khiển vector và cấu trúc hệ truyền động biến

52

Trang 5

3.1 Mô hình toán học trạng thái động của động cơ không đồng bộ ba pha 52

3.1.1.1 Đặc điểm của mô hình toán học trạng thái động của động cơ

không đồng bộ

52

3.1.2.5 Phép chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định 3 pha sang hệ tọa độ quay 2

pha (phép chuyển đổi 3s/2r)

3.1.6 Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ theo định hướng từ

trường trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha (mô hình trên hệ tọa độ MT)

75

3.2.1 Mô hình động cơ một chiều tương đương của động cơ không đồng

bộ

77

Trang 6

3.3.3 Khối điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha thyristor 84

không đồng bộ ba pha

88

bộ ba pha

91

Trang 7

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.3 Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều – xoay

chiều hình Sin

7

Hình 1.4 Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của

các khâu trong biến tần trực tiếp

8

Hình 1.10 Sử dụng thêm bộ nghịch lưu mắc song song ngược với bộ chỉnh

lưu để trả năng lượng về lưới điện xoay chiều

Hình 2.4 Các chế độ hoạt động của nghịch lưu ứng với tải sức phản điện

động

25

Trang 8

Hình 2.11 Dạng điện áp và dòng điện cấp cho động cơ đồng bộ với chuyển

mạch tải

34

Hình 2.14 Mạch thay thế ASCI tương đương trong quá trình chuyển mạch

38

Hình 2.15 (a) Momen đập mạch với dòng điện một chiều phẳng, (b)

Momen đập mạch phẳng với việc điều chế dòng điện một chiều

Hình 2.19 Mạch thay thế tương đương của động cơ không đồng bộ với tụ

chuyển mạch

44

Hình 2.20 Sự thay đổi tần số của nghịch lưu có thể kích thích máy điện

cộng hưởng với các thành phần điều hòa

45

Hình 2.22 Các thành phần điều hòa trong dòng điện PWM ứng với các hệ

số điều chế và số xung M=21 (xung trong một nửa chu kỳ)

Hình 2.26 Phương pháp loại bỏ sóng điều hòa chọn trước với số xung trên

một nửa chu kỳ (a) M=5 và (b) M=7

51

Trang 9

Hình 3.1 và 3.2 Mô hình điều khiển nhiều biến của động cơ không đồng bộ

và sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điều tốc

53

61

Hình 3.5 Mô hình vật lý các cuộn dây động cơ điện xoay chiều, mô hình

tương đương và mô hình động cơ điện một chiều

Hình 3.10 Mô hình quan sát từ thông trên hệ toạ độ quay hai pha theo định

hướng từ trường

82

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý phần lực hệ truyền động biến tần nguồn dòng -

động cơ không đồng bộ ba pha

83

Hình 3.13 Dòng điện và điện áp trong hệ truyền động biến tần nguồn dòng

với chỉnh lưu thyristor (tại 50% tải và tần số 60Hz)

84

Hình 4.1 Mô hình mô phỏng chỉnh lưu cầu 3 pha với tải có sức điện động

Ed

89

Trang 10

Idref

93

Vector Control trên mô hình 4.7)

94

hãm tái sinh, với giá tr t tị đặ ốc độ là ω0=100 rad/s

Trang 11

LỜI MỞ ĐẦU

Trong công nghiệp rất nhiều máy sản xuất yêu cầu phải điều chỉnh tốc độ động

cơ truyền động với phạm vi rộng và chất lượng điều chỉnh tốt Với sự ra đời và phát triển của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp cho mạch stator nhờ các bộ biến tần đã giải quyết được rất nhiều vấn đề mà thực tế sản xuất yêu cầu Tuy nhiên các bộ biến tần hiện nay còn tồn tại một số nhược điểm là ảnh hưởng khá nhiều đến lưới điện công nghiệp, đặc biệt khi công suất hệ truyền động lớn, phần lớn các hệ truyền động bộ

-Việc xây dựng một bộ biến tần khắc phục được các tồn tại đã nêu là một yêu cầu kỹ thuật cấp bách

chiều công suất lớn sử dụng biến tần nguồn dòng và nâng cao chất lượng dòng điện cung cấp cho động cơ, tác giả mong muốn đưa người đọc trước hết là cái nhìn tổng quan về cấu trúc phần chỉnh lưu và nghịch lưu của bộ biến tần gián tiếp Sau đó đi

chiều không đồng bộ ba pha Cuối cùng thực hiện các mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả phân tích và chứng minh tính đúng đắn của lý thuyết cũng như phương án

đề xuất

Luận văn bao gồm 4 chương:

xoay chiều

 Chương 2: Biến tần nguồn dòng và các vấn đề liên quan

 Chương 3: Nghịch lưu điều khiển vector và cấu trúc hệ truyền động điện

không đồng bộ ba pha

Trang 12

Luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Văn Liễn Cho phép em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới sự giúp đỡ, dạy bảo nhiệt tình của thầy

Bên cạnh đó, tôi cũng xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi rất nhiệt tình để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Trang 13

Chương I Tổng quan v h truyề ệ ền động bi n t n – ế ầ động cơ xoay chiều

Chương I

T ỔNG QUAN VỀ Ệ THỐNG TRUYỀ H N Đ NG ĐI N BIẾN TẦN Ộ Ệ

- ĐỘ NG CƠ XOAY CHI Ề U

Trong thế ỷ XIX đã lầ k n l t xu t hi n truyượ ấ ệ ền động điện động cơ một chi u và ề

hiệu suất cao, hy vọng coi đó là con đường tiết kiệm nguồn năng lượng Qua hơn 10

Trang 14

1.1.2 Các phương pháp điều ch nh tỉ ốc độ động cơ không đồng b ộ

điều ch nh t c đ bỉ ố ộ ằng phương pháp nối cấp động cơ không đồng b rotor dây ộ

t n); v.v ầ

đổi), t c đ càng xu ng th p thì hi u su t càng gi m, nhố ộ ố ấ ệ ấ ả ưng cấu trúc c a h th ng ủ ệ ố

các hệ ố th ng c u tr c ầ ụ

2) Hệ ống điề th u tốc kiểu tái sinh - mộ ột b phận c a công suủ ất trượ ị t b tiêu hao

đi, phầ ớn l n còn l i nh có thi t b ch nh lưu - nghạ ờ ế ị ỉ ịch lưu được tr v ả ề lưới điện xoay

Trang 15

chủ ế y u dùng kiểu điều tốc bi n t n ế ầ

Trang 16

kh ả năng quá tả ềi v mômen quay v n b h n ch ẫ ị ạ ế

Trang 17

điề ốu t c bi n tế ần điều khiển vector mà ngày nay đã trở nên r t ph bi n ấ ổ ế

SUẤT

ngượ ần lượ đượ điềc l t c u khi n làm vi c ể ệ theo chu kỳ nh t nh Trên ph t i s ấ đị ụ ả ẽ

Trang 18

biến đổi theo quy luật gần hình sin, như trên hình 2.3 Trong đó, tại điểm A có α =

đồ tia ba pha, cũng ph i dùng t i 18 tiristor Vì v y thi t b bi n t n tr c ti p tuy v ả ớ ậ ế ị ế ầ ự ế ề

cũng không vượt quá 1/3 ÷ 1/2 t n s lầ ố ưới điện (tu theo s pha chỳ ố ỉnh lưu), nếu

Trang 19

không, đồ ị đầ th u ra s ẽ thay đổ ấ ới r t l n, s ẽ ảnh hưởng t i s làm vi c bình th ng ớ ự ệ ườ

của hệ ống điề ốc biế ầ th u t n t n

cũng không vượt quá 1/3 1/2 t÷ ần s lố ưới điện (tu theo s pha chỳ ố ỉnh lưu), nếu không, đồ ị đầ th u ra s ẽ thay đổ ấ ới r t l n, s ẽ ảnh hưởng t i s làm vi c bình th ng ớ ự ệ ườ

Trên đồ ị ạ th d ng sóng (hình 1.4) ta th y công su t t c th i c a bi n t n bao g m ấ ấ ứ ờ ủ ế ầ ồ

Trang 20

l i công suạ ất cho lưới

1.2.2 B ộ biến tần gián ti p ế

khá l n ớ

+ Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin

tr c ti p trên ự ế ở

Trang 21

(PWM)

A Thi t b bi n t n gián ti p dùng chế ị ế ầ ế ỉnh lưu điều khi n ể

được biến đổi thành điện áp m t chiộ ều có điều ch nh nh chỉ ờ ỉnh lưu điều khi n ểtiristor, khâu l c có th là bọ ể ộ ọc điệ l n dung hoặc điện c m phả ụ thuộc vào dạng

điều ch nh giá tr ỉ ị điện áp ra U2 được th c hi n b ng viự ệ ằ ệc điều khiển góc điều khi n ể

trình điều khiển được phối hợp trên cùng một mạch điện điều khiển Cấu trúc của

nhược điể chủ ếm y u c a lo i b bi n t n này ủ ạ ộ ế ầ

Trang 22

l n ớ

Như trên đã trình bày, trong h thệ ống điều t c bi n t n áp dố ế ầ ụng phương pháp điều ch nh t s ỉ ỷ ố điện áp-t n s ầ ố không đổi, khi s d ng bi n t n gián ti p dùng ử ụ ế ầ ế

Trang 23

t p; ạ

(2) Do khâu m t chi u trung gian có bộ ề ộ ọ l c bằng tụ ọ l c hoặc điện kháng với

tr ; ễ

khá lớ ảnh hưởn ng tới tính ổn định làm việc của động cơ, đặc bi t khi ệ ở ố t c đ th p ộ ấ

cùng v i s phát tri n cớ ự ể ủa kỹ thuật vi điện tử đã tạo ra được các điều ki n tệ ốt để ả gi i

tin vào việc điều chế ệ đi n áp ra c a bi n t n Bủ ế ầ ộ ế bi n t n PWM ng d ng kầ ứ ụ ỹ thu t ậnày về cơ bản đã gi i quyả ết được vấn đề ồ t n t i trong b bi n tạ ộ ế ần thông thường

điện xoay chi u cề ận đại Hình 1.6c gi i thi u c u trúc b bi n t n PWM, b bi n t n ớ ệ ấ ộ ế ầ ộ ế ầnày v n là bẫ ộ biến t n gián ti p có khâu trung gian m t chi u, ch khác là khâu ầ ế ộ ề ỉ

Trang 24

quy lu t phân bậ ố thời gian và trình tự thao tác đóng - cắt (mở - khóa) chính là

bi n t n ế ầ

(3) Có thể nhận được đ th ồ ị điện áp đầu ra t t, có thố ể ạ h n chế hoặc lo i bạ ỏ được

sin, biến động c a mô men khá nh , mủ ỏ ở ộ r ng rấ ớt l n phạm vi điều ch nh tỉ ốc đ c a ộ ủ

h th ng truyệ ố ền động

cho phép điều ch nh t c đ ỉ ố ộ động cơ xoay chiều v i chớ ất lượng dòng áp khá t t, ố

Trang 25

quay đồng bộ ới từ trường stator củ v a đ ng cơ và thườộ ng ch n tr c d trùng v i ọ ụ ớ

nghiên c u t ng hứ ổ ợp hệ truyền động động cơ một chiều để thi t k các b ế ế ộ điều

Trang 26

đổ ởi ( vùng t n s th p hơn t n s cơ b n), th c hiầ ố ấ ầ ố ả ự ện được quan h Er/fs= h ng s , ệ ằ ố

m t b lộ ộ ọc dả ội r ng (hình 1.8b)

Trang 27

Để tăng hệ ố s công su t, gi m t n th t trong quá trình truy n tấ ả ổ ấ ề ải điện năng,

điện tr ở (Rh) được điều khi n b i các ngể ở ắt điện (Tr) n i phía m ch m t chi u ố ạ ộ ề

h th ng ệ ố

Trang 28

Các phương pháp s d ng b l c đ gi m sóng hài b c cao trong dử ụ ộ ọ ể ả ậ òng điện

và không điều khiển được S ự thay đổ ủa năng lượi c ng s xu t hi n m t cách t ẽ ấ ệ ộ ựnhiên v i sớ ự thay đổi của điện áp ngu n c p và t i Trong nhiồ ấ ả ề ứu ng dụng năng

điện không đổi, điều khi n là vi c c n thiể ệ ầ ết để bù ngu n c p và s ồ ấ ự thay đổ ủ ải c a t i

Trang 29

góc điều khi n n m gi a 0 và /2 b biể ằ ữ π ộ ến đổi làm vi c ch chệ ở ế độ ỉnh lưu, còn khi góc điều khi n n m gi a /2 và thì b bi n i làm vi c ch nghể ằ ữ π π ộ ế đổ ệ ở ế độ ịch lưu và

ngoài nhược điểm là thi t b ph n l c r t c ng k nh, còn có thêm nhế ị ầ ự ấ ồ ề ược điểm là

góc phầ tưn Khối ngh ch lị ưu của bi n t n, k c bi n tế ầ ể ả ế ần điều ch r ng xung ế độ ộ

bi n tế ần có thể ự th c hiện trao đổi công su t hai chi u thì vấ ề ấn đề còn l i là kh i ch nh ạ ố ỉ

Trang 30

- H s cos ệ ố Φ cao

Trang 31

Chương II Bi n t n ngu n dòng và các vế ầ ồ ấn đề liên quan

Chương II

dụng trong biến tần nguồn dòng phải chịu được điện áp ngược, và do vậy các van công suất như IGBTs, MOSFETs, BJTs, MCTs, IGCTs, và GTO thường được sử dụng với các diode mắc nối tiếp Còn các van công suất như GTOs và Thyristor có

th ể được sử ụ d ng mà không c n s h tr c a các diode ầ ự ỗ ợ ủ

• Lò c m ng nhi t cao t n ả ứ ệ ầ

energy storage)

Trang 32

• Cơ cấu bù tĩnh VAR

BƯỚC (SIX-STEP THYRISTOR INVERTER)

đồng b roto dây qu n công su t l n Chúng ta s tìm hi u nguyên lý hoộ ấ ấ ớ ẽ ể ạt động

đồng b có th i di n b i các pha sộ ể đạ ệ ở ức điện động t c m (CEMF) n i ti p v i các ự ả ố ế ớđiện kháng rò tương đương Như vậy m ch l c tr ạ ự ở nên cân đối v liên k t m t ề ế ộ

Trang 33

i= 

Trang 34

tái sinh t ừ động cơ sẽ được tr v ả ề lưới

nghĩa với vi c yêu c u có t i c m kháng ệ ầ ả ả ở đầu vào c a b bi n đ i (lagging ủ ộ ế ổ

Trang 35

động cơ không đồng b có th ph i s d ng m t s chuy n m ch cư ng b c ộ ể ả ử ụ ộ ố ể ạ ỡ ứ

Góc mở α của nghịch lưu có thể thay đổi đư c từ 0 đến 2π ứợ ng với điện áp

lượng s di chuy n t t i vào phía m ch m t chiẽ ể ừ ả ạ ộ ều, được đưa trở ại lướ l i b i b ở ộ

Trang 36

Trang 37

trong ch tái sinh ế độ

Trang 38

(π≤α≤3π/2)

tiêu thụ ở b i t i Chả ế độ này tương ứng v i chớ ế độ ho t ạ động của động cơ không

đồng b ộ

(3π/2≤α≤2π)

cưỡng bức Đồ th pha trong hình 2.4(d) cho ta th y ch ị ấ ế độ hoạt động theo ki u ể

chỉnh lưu, vớ ải t i yêu c u c m kháng Ch ầ ả ế độ này được hiểu như hoạt động c a ủ

Trang 39

chiều là rất lớn và đảm bảo việc lọc hoàn hảo các thành phần điều hòa của dòng điện

Trang 40

hiện việc chuyển mạch tải Góc β0=ωtq, giá trị nh nhỏ ất c a góc này phủ ải đủ để

Trang 41

thay đổi giá tr và t i có tính c m kháng rị ả ả ất cao (ωL>>R) Mộ ầt l n n a, ch ho t ữ ế độ ạ

Trang 42

t ụ điệnC

công suất đầu ra s gi m ẽ ả

Trang 43

của tải

tr tữ β là không đổi khi thay đổi tần số Như vậy, khi góc β là hằng s và t n s ố ầ ố

độ ả t i không c n thi t cho bi t t n ầ ế ế ầ

khi n i thêm các tố ụ điệ ở đần u vào Thực tế ới điề, v u ki n tệ ải luôn thay đổi, m t dãy ộ

Tuy nhiên, v i tớ ải là động cơ không đồng b , t n s b ngh ch lưu s ộ ầ ố ộ ị ẽ điều ch nh ỉtheo tốc đ ng cơ Đ m bảo yêu cầộ độ ể đả u h s U/f là h ng s , khi t c đ ệ ố ằ ố ố ộ động cơ

Trang 44

cao là điều d dàng b ng viễ ằ ệc điều ch nh t ỉ ừ trường H truy n đệ ề ộng này thường

chế độ ự điề t u khi n ể

Trang 45

nhau

Trang 46

Trang 47

dưới m c 5% t c đ cơ b n, vi c chuy n m ch t i s không hoứ ố ộ ả ệ ể ạ ả ẽ ạt động trơn tru Trong d i tả ốc đ ộ này, bộ nghịch lưu cần chuy n mể ạch cưỡng b c Vi c chuyứ ệ ển

động cơ

như một b khộ ởi động rắn, điều ch nh t n s ỉ ầ ố để điều khi n vi c đ ng b hóa v i ể ệ ồ ộ ớlưới điện t i m c t c đ ạ ứ ố ộ không đổi cho động cơ V i viớ ệc được s dử ụng đa mục

động: (1) t i t c đ thạ ố ộ ấp, động cơ được kh i đ ng v i ch chuy n m ch cư ng ở ộ ớ ế độ ể ạ ỡ

Tiêu đề	Thiết Kế, Xây Dựng Hệ Thống Truyền Động Công Suất Lớn Sử Dụng Biến Tần Nguồn Dòng
Tác giả	Nguyễn Trọng Chiến
Người hướng dẫn	PGS.TS Nguyễn Văn Liễn
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ
Năm xuất bản	2010
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	114
Dung lượng	4,81 MB