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
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 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131810591000000 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT IM Induction Motor Động không đồng ba pha 4Q Four Quarter Bốn góc phần tư SMES ASCI PWM Super Conducting Magnet Energy Storage Auto Sequential Current Fed Inverter Pulse-width Modulation ĐK SHE-PWM Bộ lưu trữ lượng từ siêu dẫn Nghịch lưu nguồn dòng tự động Điều chế độ rộng xung Động không đồng Selected Harmonic Phương pháp điều chế độ rộng xung Elimination PWM loại trừ sóng điều hịa chọn trước MỤC LỤC Nội dung Trang Trang phụ bìa Lởi cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt Danh mục hình vẽ, đồ thị Danh mục bảng Lời mở đầu Chương I: Tổng quan hệ thống truyền động điện biến tần - động xoay chiều 1.1 Các hệ thống truyền động điện dùng động xoay chiều 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng 1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động đồng 1.1.4 Hệ thống điều tốc biến tần - động xoay chiều 1.2 Sơ lược biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất 1.2.1 Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) 1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp 1.3 Biến tần bốn góc phần tư 14 1.3.1 Các tồn biến tần thơng thường 14 1.3.2 Biến tần bốn góc phần tư (biến tần 4Q) 16 Chương II: Biến tần nguồn dòng vấn đề liên quan 2.1 Tổng quan chung biến tần nguồn dòng 19 19 2.2 Nguyên lý hoạt động chung biến tần thyristor bước 20 (six-step thyristor inverter) 2.2.1 Các chế độ hoạt động nghịch lưu 23 2.2.1.1 Chế độ 1: hoạt động theo kiểu chỉnh lưu chuyển mạch tải 23 (0≤α≤ π/2) 2.2.1.2 Chế độ 2: hoạt động theo kiểu nghịch lưu chuyển mạch tải 25 (π/2≤α≤ π) 2.2.1.3 Chế độ 3: hoạt động theo kiểu nghịch lưu chuyển mạch cưỡng 26 (π≤α≤3π/2) 2.2.1.4 Chế độ 4: hoạt động theo kiểu chỉnh lưu chuyển mạch cưỡng 26 (3π/2≤α≤2π) 2.3 Nghịch lưu chuyển mạch tải 27 2.3.1 Nghịch lưu cộng hưởng pha 27 2.3.1.1 Phân tích mạch 28 2.3.2 Nghịch lưu ba pha 31 2.3.2.1 Tải cảm kháng 31 2.3.2.2 Tải máy điện đồng kích thích 32 2.3.2.2 Khởi động động đồng 35 2.4 Nghịch lưu chuyển mạch cưỡng 36 2.4.1 Nghịch lưu nguồn dòng tự động 37 (ASCI-Auto Sequential Current Fed Inverter) 2.5 Tổn thất nhiệt gây sóng điều hồ bậc cao tượng mômen 39 đập mạch 2.6 Nghịch lưu sử dụng van tự chuyển mạch 41 2.6.1 Nghịch lưu bước 41 2.6.1.1 Vấn đề cộng hưởng điều hoà tải 43 2.6.2 Nghịch lưu PWM 46 2.6.2.1 Điều chế độ rộng xung hình thang 2.6.2.2 Điều chế độ rộng xung loại trừ sóng điều hịa chọn trước 46 49 (SHE-PWM) Chương III: Nghịch lưu điều khiển vector cấu trúc hệ truyền động biến tần nguồn dòng - động không đồng ba pha 52 3.1 Mơ hình tốn học trạng thái động động khơng đồng ba pha 52 3.1.1 Mơ hình tốn học nhiều biến động không đồng ba pha 52 3.1.1.1 Đặc điểm mơ hình tốn học trạng thái động động 52 không đồng 3.1.1.2 Mơ hình tốn học nhiều biến động không đồng ba pha 54 3.1.2 Phép biến đổi tọa độ ma trận chuyển đổi 61 3.1.2.1 Khái niệm nguyên tắc phép biến đổi tọa độ 61 3.1.2.2 Ma trận chuyển đổi tọa độ điều kiện công suất bất biến 64 3.1.2.3 Phép chuyển đổi pha/2 pha (phép chuyển đổi 3/2) 66 3.1.2.4 Phép chuyển đổi quay pha / pha 70 3.1.2.5 Phép chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định pha sang hệ tọa độ quay 71 pha (phép chuyển đổi 3s/2r) 3.1.3 Mơ hình tốn học động không đồng hệ tọa độ quay pha 73 3.1.4 Mơ hình tốn học động điện không đồng hệ tọa độ cố 74 định pha 3.1.5 Mơ hình tốn học động không đồng hệ tọa độ quay đồng 75 pha 3.1.6 Mơ hình tốn học động không đồng theo định hướng từ 75 trường hệ tọa độ quay đồng pha (mơ hình hệ tọa độ MT) 3.2 Biến tần gián tiếp với nghịch lưu điều khiển vector 77 3.2.1 Mơ hình động chiều tương đương động không đồng 77 3.2.2 Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vector 78 3.2.3 Phương trình điều khiển vector 3.2.4 Mơ hình quan sát từ thông rotor 79 81 3.3 Hệ truyền động biến tần nguồn dòng - ĐK 82 3.3.1 Sơ đồ khối hệ truyền động biến tần nguồn dòng - ĐK 82 3.3.2 Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực hệ biến tần nguồn dòng - ĐK 83 3.3.3 Khối điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha thyristor 84 3.3.4 Khối điều khiển nghịch lưu áp dụng nguyên lý điều khiển vector 86 Chương 4: Mô hệ truyền động điện biến tần nguồn dòng - động 88 khơng đồng ba pha 4.1 Mơ đặc tính làm việc chỉnh lưu cầu pha thyristor 88 4.1.1 Xây dựng chương trình mơ chỉnh lưu cầu pha thyristor 88 4.1.2 Các kết mô chỉnh lưu cầu pha thyristor 89 4.2 Mô hệ truyền động biến tần nguồn dòng - động không đồng 91 ba pha 4.2.1 Xây dựng sơ đồ mô hệ truyền động MATLAB 91 4.2.2 Kết mô MATLAB R2009a 94 4.2.2.1 Mô trình khởi động điều chỉnh tốc độ động 94 4.2.2.2 Mơ q trình khởi động chế độ hãm tái sinh động 97 Kết luận kiến nghị 100 I Kết luận 100 II Kiến nghị 100 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều – xoay chiều) Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp Hình 1.3 Đồ thị điện áp đầu thiết bị biến tần xoay chiều – xoay chiều hình Sin Hình 1.4 Sóng hài bậc dịng, áp tải chế độ làm việc khâu biến tần trực tiếp Hình 1.5 Thiết bị biến tần gián tiếp Hình 1.6 Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian chiều 10 Hình 1.7 Bộ biến tần điều khiển vector 13 Hình 1.8 Các lọc để giảm sóng hài bậc cao (ν số sóng hài) 14 Hình 1.9 Dập lượng điện trở Rh mạch chiều 15 Hình 1.10 Sử dụng thêm nghịch lưu mắc song song ngược với chỉnh 16 lưu để trả lượng lưới điện xoay chiều Hình 2.1 Mạch lực tổng quát biến tần nguồn dịng sử dụng van 21 thyristor Hình 2.2 Dạng điện áp dòng điện lý tưởng nghịch lưu sáu bước sử 22 dụng van thyristor Hình 2.3 Biểu đồ pha điện ứng với hệ số cơng suất khác 23 Hình 2.4 Các chế độ hoạt động nghịch lưu ứng với tải sức phản điện 25 động Hình 2.5 Tổng kết chế độ hoạt động máy điện xoay chiều 26 Hình 2.6 Nghịch lưu cộng hưởng pha với chuyển mạch tải 27 Hình 2.7 (a) Dịng điện điện áp tải, (b) Đồ thị pha Hình 2.8 Mạch thay tương đương với đồ thị pha 28 31 Hình 2.9 Nghịch lưu cầu ba pha chuyển mạch tải với tải cảm kháng 32 Hình 2.10 Đồ thị pha động đồng với chuyển mạch tải 33 Hình 2.11 Dạng điện áp dòng điện cấp cho động đồng với chuyển 34 mạch tải Hình 2.12 Các phương pháp phát xung khởi động động đồng 36 Hình 2.13 Nghịch lưu cầu ba pha ASCI với tải động điện cảm 37 Hình 2.14 Mạch thay ASCI tương đương trình chuyển mạch 38 từ Q sang Q4 Hình 2.15 (a) Momen đập mạch với dòng điện chiều phẳng, (b) 40 Momen đập mạch phẳng với việc điều chế dòng điện chiều Hình 2.16 Nghịch lưu nguồn dịng bước sử dụng van GTO với tải động 42 không đồng Hình 2.17 Mạch thay tương đương trình chuyển mạch từ Q 43 sang Q Hình 2.18 Đồ thị pha điện áp dòng điện cực động tăng tốc 43 Hình 2.19 Mạch thay tương đương động không đồng với tụ 44 chuyển mạch Hình 2.20 Sự thay đổi tần số nghịch lưu kích thích máy điện 45 cộng hưởng với thành phần điều hòa Hình 2.21 Nguyên lý điều chế PWM hình thang 47 Hình 2.22 Các thành phần điều hịa dịng điện PWM ứng với hệ 47 số điều chế số xung M=21 (xung nửa chu kỳ) Hình 2.23 Dạng sóng dịng điện PWM ba pha 48 Hình 2.24 Quan hệ tần số nghịch lưu tần số chuyển mạch van 49 GTO Hình 2.25 Phương pháp loại bỏ sóng điều hịa chọn trước với số xung 50 nửa chu kỳ M=5 Hình 2.26 Phương pháp loại bỏ sóng điều hịa chọn trước với số xung nửa chu kỳ (a) M=5 (b) M=7 51 Hình 3.1 3.2 Mơ hình điều khiển nhiều biến động không đồng 53 sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điều tốc Hình 3.3 Mơ hình vật lý động khơng đồng pha 54 Hình 3.4 Mơ hình vật lý động điện chiều hai cực: F- cuộn dây kích 61 từ, A - cuộn dây rotor C- cuộn dây bù Hình 3.5 Mơ hình vật lý cuộn dây động điện xoay chiều, mơ hình 63 tương đương mơ hình động điện chiều Hình 3.6 Vị trí vector khơng gian hệ toạ độ pha pha với 66 sức từ động cuộn dây Hình 3.7 Hệ toạ độ cố định hệ toạ độ quay pha vector khơng gian 70 sức từ động Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc biến đổi tọa độ động không đồng 78 Hình 3.9 Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vector 79 Hình 3.10 Mơ hình quan sát từ thông hệ toạ độ quay hai pha theo định 82 hướng từ trường Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - ĐK 82 Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý phần lực hệ truyền động biến tần nguồn dòng - 83 động khơng đồng ba pha Hình 3.13 Dịng điện điện áp hệ truyền động biến tần nguồn dòng 84 với chỉnh lưu thyristor (tại 50% tải tần số 60Hz) Hình 3.14 Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha 85 Hình 3.15 Cấu trúc nghịch lưu điều khiển vector định hướng từ thông roto 87 Hình 4.1 Mơ hình mơ chỉnh lưu cầu pha với tải có sức điện động 89 Ed Hình 4.2 Chi tiết khối phát xung đồng cho chỉnh lưu Hình 4.3 Dịng điện xoay chiều lưới điện I A I B 89 90 Hình 4.4 Điện áp sau chỉnh lưu V d 91 Hình 4.5 Dòng điện sau chỉnh lưu I d đại lượng đặt dịng điện chiều 92 I dref Hình 4.6 Cấu trúc điều khiển vecto vùng tần số f ≤ f đm 92 Hình 4.7 Sơ đồ mơ hệ truyền động biến tần nguồn dòng – động 93 khơng đồng ba pha Hình 4.8 Mơ hình chi tiết phần điều khiển vector cho nghịch lưu (khối 94 Vector Control mơ hình 4.7) Hình 4.9 Tốc độ động khởi động điều chỉnh tốc độ 95 Hình 4.10 Mơmen động khởi động điều chỉnh tốc độ 95 Hình 4.11 Dịng điện pha Stator động 96 Hình 4.12 Dịng điện điện áp pha A lưới điện cấp cho chỉnh lưu 96 Hình 4.13 Tốc độ động khởi động điều chỉnh tải sang chế độ 97 hãm tái sinh, với giá trị đặt tốc độ ω 0=100 rad/s Hình 4.14 Đồ thị mơmen động khởi động với giá trị đặt 98 chế độ hãm tái sinh Hình 4.15 Dịng điện pha Stator động khởi động chế độ 98 hãm tái sinh Hình 4.16 Dịng điện chiều sau chỉnh lưu dòng yêu cầu cấp cho 99 mạch nghịch lưu khởi động chế độ hãm Hình 4.17 Đồ thị dịng áp pha A lưới điện khởi động chế 99 độ hãm tái sinh DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Góc chuyển mạch tối ưu để loại trừ sóng điều hịa bậc cao quan 51 trọng Bảng 5.1 Thơng số động khơng đồng rơto lồng sóc dùng mô 92