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

Mục đích nghiên cứu: Mục đích của đ tài là nghiên cứu, phân tích các trạng thái và quá trình chuyểề n mạch của các khóa bán dẫn trong các bộ nghịch lưu áp đa mức; phân tích hai phương ph

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Lời cảm ơn

L ỜI ẢM ƠN C

Luận văn tốt nghiệp của tôi với đ tài “Thiết kế, xây dựng hệề thống truyền

động công su t l n s d ng bi n t n nguấ ớ ử ụ ế ầ ồn áp” đã được hoàn ch nh trong m t th i ỉ ộ ờgian ngắn và đã đạt được các kết quả đặt ra Đồng th i, giúp nâng cao khờ ả năng tựnghiên c u cứ ủa bản thân tôi trong quá trình ng d ng các thành t u khoa hứ ụ ự ọc vào

vi c phát tri n công ngh ệ ể ệ cho đất nước

Tôi chân thành cám ơn PGS TS Nguyễ n Văn Li n ễ , người hướng d n tr c ẫ ự

tiếp cho tôi hoàn thành luận văn này Những lời khuyên, hướng dẫn bổ ích của thầy

v nhiề ều vấn đề ủa về ệ ống truyền động và bán tần công suất lớn đã mở ra một c h thhướng nghiên c u m i và giúp tôi ti p c n tứ ớ ế ậ ốt hơn với công ngh này ệ

Tôi cũng xin cảm ơn các giảng viên Khoa Điện, B môn T ộ ự động hóa XNCN, trường ĐHBK Hà Nội đã tạo điều ki n tra c u các tài liệ ứ ệu, hướng d n cho tôi hoàn ẫthành tốt đề tài của luận văn

Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010

Học viên

Nguyễn Mạnh Cường

Lời cam oan đ

Em xin cam đoan bản đ án t t nghi p: “Thiồ ố ệ ết kế, xây dựng hệ ống truyền th

động công su t l n s d ng bi n t n ngu n áp” do em t th c hiấ ớ ử ụ ế ầ ồ ự ự ện dướ ự hưới s ng

d n c a thẫ ủ ầy PGS.TS NGUYỄN VĂN LIỄN

Để hoàn thành bản đồ án này em ch dùng nh ng tài liỉ ữ ệu đã ghi trong mục tài

liệu tham khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu nào khác Không hề có sự sao chép, gian l n k t qu cậ ế ả ủa bấ ỳt k công trình nghiên c u nào khác ứ

HỌC VIÊN

Nguyễn Mạnh Cường

M l ục ục

L I CỜ ẢM ƠN i

L I Ờ CAM ĐOAN ii

DANH M C KÝ HI U & CH VI T T T v Ụ Ệ Ữ Ế Ắ DANH M C CÁC HÌNH V Ụ Ẽ & ĐỒ TH vi Ị DANH M C CÁC B NG x Ụ Ả LỜI NÓI ĐẦU xi

CHƯƠNG I H TH NG TRUYỆ Ố ỀN ĐỘNG ĐIỆN BI N T N - Ế Ầ ĐỘNG CƠ XOAY CHI U 1 Ề 1.1 T NG QUAN CHUNG 1 Ổ 1.2 CÁC B BI N T N DÙNG D NG C BÁN D N CÔNG SU T 2 Ộ Ế Ầ Ụ Ụ Ẫ Ấ 1.2.1 Bi n t n tr c ti p (xoay chi u - xoay chiế ầ ự ế ề ều) 2

1.2.2 B bi n t n gián ti p 5 ộ ế ầ ế 1.3 THI T B CHUYẾ Ị ỂN MẠCH CÔNG SUẤT LỚN 11

1.3.1 ĐIỐT 12

1.3.2 SCR (Silicon Controller Rectifier) 13

1.3.3 GTO (Gate Turn-Off Thyristor) 14

1.3.4 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transitor) 16

CHƯƠNG II THI T K BI N T N NGU N ÁP CHO TRUYẾ Ế Ế Ầ Ồ ỀN ĐỘNG TRUNG ÁP 19

2.1 CÁC SẢN PHẨM TH C T 19 Ự Ế 2.1.1 Gi i thi u 19 ớ ệ 2.1.2 Các sản ph m thẩ ực tế 20

2.2 THI T K B Ế Ế Ộ CHỈNH LƯU 26

2.2.1 Gi i thi u 26 ớ ệ 2.2.2 B ộ chỉnh lưu cầu 3 pha sáu xung: 27

2.2.3 B ộ chỉnh lưu 12 xung 32

2.3 B NGHỘ ỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC 34

M l ục ục

2.3.1 Gi i thi u 34 ớ ệ

2.3.2 Cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa mức Điố ẹt k p 35

2.3.3 K t lu n 40 ế ậ CHƯƠNG III PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CH Ế VÉC TƠ KHÔNG GIAN CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 3 MỨC 41

3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHI N B NGHỂ Ộ ỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC 41 3.1.1 Phương pháp SinPWM 41

3.1.2 Phương pháp SFO PWM- 46

3.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CH Ế VECTƠ KHÔNG GIAN 48

3.2.1 Khái ni m 48 ệ 3.2.2 Phương pháp điều ch cho b nghế ộ ịch lưu áp ba mức NPC 49

CHƯƠNG IV MÔ PH NG H TRONG MATLAB – SIMULINK 68 Ỏ Ệ 4.1 THU T TOÁN MÔ Ậ PHỎNG 68

4.2 CÁC KH I TRONG MÔ HÌNH MÔ PHỐ ỎNG 69

4.3 MÔ PH NG V I TỎ Ớ ẢI R-L 76

4.3.1 V i mớ a = 0,7 : 76

4.3.2 V i mớ a = 0,6 : 78

4.3.3 V i mớ a = 0,8 : 78

4.4 MÔ PH NG V I TỎ Ớ ẢI LÀ ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT NHỎ 79

4.4.1 Tham s mô phố ỏng 79

4.4.2 K t qu 80 ế ả 4.5 MÔ PH NG V I TỎ Ớ ẢI LÀ ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT L N 81 Ớ 4.5.1 Tham s mô phố ỏng 81

4.5.2 K t qu 82 ế ả 4.6 K T LU N 84 Ế Ậ K T LU N VÀ KI N NGH 85 Ế Ậ Ế Ị TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

PHỤ Ụ L C i

Danh m ký hi & ch ục ệu ữ viết ắt t

DANH M C KÝ HI U & CH Ụ Ệ Ữ VIẾT TẮT

APOD

CBPWM

PD

POD

SVPWM

THD

Danh m các hình v & th ục ẽ đồ ị

DANH M C CÁC HÌNH V Ụ Ẽ & Đ TH Ồ Ị

Hình 1 1: Thiết bị ế ầ bi n t n trực tiếp (xoay chi u - xoay chi u) 2ề ề Hình 1 2: Sơ đồ nguyên lý b bi n t n tr c ti p 3ộ ế ầ ự ế Hình 1 3: Đồ ị điện áp đầ th u ra c a thi t b bi n t n xoay chi u - xoay chi u hình s 4ủ ế ị ế ầ ề ề in

Hình 1 4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việ c 5

Hình 1 5: Thiết bị ế ầ bi n t n gián ti p 6ế Hình 1 6: B bi n t n gián ti p có khâu trung gian mộ ế ầ ế ột chiều 7

Hình 1 7: B bi n tộ ế ần điều khi n vector 10ể Hình 1 8: Điện áp và dòng điện của thiết bị bán d n công suẫ ất lớn 12

Hình 1 9: Điốt loại press pack - 4.5-kV/0.8-kA và modul 1.7-kV/1.2-kA 13

Hình 1 10: Đặc tính chuy n m ch c a SCR 14ể ạ ủ Hình 1 11: C u trúc GTO công suấ ất lớn và Cấu trúc Điốt ngược 15

Hình 1 12: Đặc tính chuyển mạch của GTO 16

Hình 1 13: IGBT 1.7-kV/1.2-kA và 3.3-kV/1.2-kA 17

Hình 1 14: Đặc tính chuy n m ch c a IGBTể ạ ủ 17

Hình 2 1: Sơ đồ các kh i chung trong h truyố ệ ến động trung áp 19

Hình 2 2: Dải điện áp và công su t trong truyấ ền động trung áp 20

Hình 2 3: S n phả ẩm SIMOVERT MV của Siemens 22

Hình 2 4: Sơ đồ nguyên lý của Simovert MV 23

Hình 2 5: Module HV IGBT 23

Hình 2 6: Điện áp và dòng điện đầu ra c a b Simovert MV 6kV và 6.6 kV v i b l c ủ ộ ớ ộ ọ IHV 24

Hình 2 7: Dura Bilt5 MV series 24

Hình 2 8: Sơ đồ nguyên lý của bộ ế ần Dura Bilt5 MV series 25 bi n t Hình 2 9: B ACS 6000 Series cộ ủa ABB 26

Hình 2 10: Sơ đồ nguyên lý ACS 6000 26

Hình 2 11: B ộ chỉnh lưu đa xung 27

Hình 2 12: B ộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khi n 28ể Hình 2 13: Gi n áp dây nguả đồ ồn AC và điện áp DC đầu ra (red) 28

Danh m các hình v & th ục ẽ đồ ị

Hình 2 14: Dòng điện ngu n pha a và áp ngu n pha a 29ồ ồ

Hình 2 15: Ảnh hưởng của Ls 30

Hình 2 16: Dòng qua ngu n và áp ngu n pha a 30ồ ồ Hình 2 17: Áp DC so với các áp dây nguồn 30

Hình 2 18: Dùng t ụ DC link để ọc áp tải DC đầu ra l 31

Hình 2 19: Áp DC đầu ra 31

Hình 2 20: B ộ chỉnh lưu 12 xung 32

Hình 2 21: Ap DC khi ULL rms =220 V 33

Hình 2 22: Dòng điện qua ngu n 33ồ Hình 2 23: Ph ổ fourier của dòng qua ngu n 34ồ Hình 2 24: B nghộ ịch lưu điôt kẹp 3 m c 36ứ Hình 2 25: Trạng thái, điện áp điều khiển các chuyển mạch và điện áp ra 37

Hình 2 26: Điện áp pha và đi n áp dây của bộ nghịch lưu 3L NPCệ - 38

Hình 2 27: Quá trình chuy n mể ạch từ trạ ng thái O sang P với dòng điệ ải in t A> 0 38

Hình 2 28: Quá trình chuy n mể ạch từ trạ ng thái O sang P với dòng điệ ải in t A< 0 39

Hình 3 1: Sóng mang d ng PD 42ạ Hình 3 2: Sóng mang dạng APOD 42

Hình 3 3: Sóng điều khiển Ura và 2 sóng mang PD 44

Hình 3 4: Điện áp Pha tâm nguồn DC VAO– 44

Hình 3 5: Điện áp tải pha a 44

Hình 3 6: Phổ Fourier của áp tải pha a 45

Hình 3 7:Tín hiệu Voffset 46

Hình 3 8: Tín hiệu điều chế pha a Uravới biên độ = 0.693 46

Hình 3 9: Tín hiệu điều chế sin với Am =0.8 47

Hình 3 10: Điện áp tải pha a 47

Hình 3 11: Phổ fourier của áp tải pha a 47

Hình 3 12: B nghộ ịch lưu áp 3 ức NPCm 49

Hình 3 13: Vectơ không gian điện áp c a b nghủ ộ ịch lưu 3 mức NPC 51 Hình 3 14: Điều ch vector không gian 52ế Hình 3 15: Vectơ điện áp vùng I (sector I) 53ở

Danh m các hình v & th ục ẽ đồ ị

Hình 3 16: Ảnh hưởng đến Vztương ứng với trạng thái vectơ V0 [PPP] 55

Hình 3 17: Ảnh hưởng đến Vztương ứng với trạng thái vectơ V1 55

Hình 3 18: Ảnh hưởng đến Vztương ứng với trạng thái vectơ V7 56

Hình 3 19: Ảnh hưởng đến Vztương ứng với trạng thái vectơ V13 56

Hình 3 20: Trường h p ợ Vref thuộc tam giác thứ tư của vùng I (I- 574) Hình 3 21: M u xung cẫ ủa vectơ điện áp trung bình Vref thu c vùng I-4 58ộ Hình 3 22: Trường h p ợ Vref thuộc tam giác thứ 3a của vùng I (I-3a) 59

Hình 3 23: Hai trình t khóa bán dự ẫn đối với Vref thu c khu vộ ực IV-4 63

Hình 3 24: Cách s d ng thay th gi a trình t khóa bán d n loử ụ ế ữ ự ẫ ại A và loại B 64

Hình 4 1Sơ đồ kh i b đi u ch ố ộ ề ế vectơ không gian 68

Hình 4 2: Sơ đồ thuật toán điều ch phát xung cho nghế ịch lưu 68

Hình 4 3: Mô hình trong simulink 69

Hình 4 4: Khối điều chế vectơ 70

Hình 4 5: Khâu tạo điện áp 3 pha đối xứng 71

Hình 4 6: Khâu chuyển hệ trụ ọc t a đ abc=>αβ 71ộ Hình 4 7: Khâu xác định vùng và góc c a ủ vector điện áp tham chi u 71ế Hình 4 8: Khâu chuyển đổi về vùng I (sector I) 72

Hình 4 9: Khâu xác định v trí tam giác 72ị Hình 4 10: Khâu tính thời gian tác động trong vùng 1 (sector I) 72

Hình 4 11: Khâu tính th i gian phát xung cho các van 73ờ Hình 4 12: Khâu tạo xung điều khi n 74ể Hình 4 13: C u trúc m ch l c 75ấ ạ ự Hình 4 14: Đồ ị điện áp pha và dây đầ th u ra nghịch lưu 76

Hình 4 15: Ph t n s ổ ầ ố điện áp dây 76

Hình 4 16: Đồ ị dòng điệ th n 77

Hình 4 17: Ph t n s ổ ầ ố dòng điện pha A 77

Hình 4 18: Ph t n s ổ ầ ố điện áp dây và dòng điện với ma =0,6 78

Hình 4 19: Ph t n s ổ ầ ố điện áp dây và dòng điện với ma =0,8 78

Hình 4 20: Đồ ị dòng điện động cơ công suât nhỏ th 80

Danh m các hình v & th ục ẽ đồ ị

Hình 4 21: Đồ ị điện áp pha và dây đầ th u ra nghịch lưu động cơ công suât nhỏ 80

Hình 4 22: Đồ ị mômen động cơ công suât nhỏ th 81

Hình 4 23: Đồ ị ố th t c đ ộ động cơ công suât nhỏ 81

Hình 4 24: Đồ ị dòng điệ ải động cơ công suấ ớ th n t t l n 82

Hình 4 25: Đồ ị điện áp pha và dây đầ th u ra nghịch lưu tải động cơ công suấ ớt l n 83

Hình 4 26: Đồ ị th mômen tải động cơ công suấ ớt l n 83

Hình 4 27: Đồ ị ố th t c đ tộ ải động cơ công suấ ớt l n 84

Danh m các bục ảng

B ng 1 1: Thông s c a SCR 12kV/1.5kA 14ả ố ủ

B ng 1 2: Thông s ả ố cơ bản IGBT 3.3kV/1.2kA 18

B ng 2 1: Mả ột số loại bi n t n trung áp trên th ế ầ ế giới 20

B ng 2 2: B ng tr ng thái chuy n m ch (pha A) cả ả ạ ể ạ ủa bộ nghịch lưu 3L NPC- 37

B ng 2 3: Quá trình d n dòng c a các khóa trong pha A cả ẫ ủ ủa bộ nghịch lưu 3L NPC- 39

B ng 3 1: Thông s mô ph ng SinPWM v i m=0.68 45ả ố ỏ ớ Bảng 3 2: Các vectơ tương ứng với các trạng thái c a khóa bán d n 50ủ ẫ B ng 3 3: V ả ị trí các tam giác tương ứng với tổ ợ h p các vectơ cơ bản 53

B ng 3 4: Th i gian ả ờ tác động của vector Vref trong vùng I 54

B ng 3 5: Trình t ả ự và thời gian tác động đối với Vref thuộc tam giác I 3a- 59

B ng 3 6: Trình t chuy n mả ự ể ạch của các khóa bán dẫn trong toàn b không gian tr ng tháiộ ạ 59

B ng 3 7: Trình t chuy n mả ự ể ạch của các khóa bán dẫn trong toàn b không gian tr ng ộ ạ thá 64i

m c có thành ph n hài bứ ầ ậc cao khá lớn

ngh

Vì vậy trong những năm gần đây, bộ ịch lưu đa mức đã được nhiều chú ý

và được xem như là sự ự l a ch n t t nh t cho các ng d ng truy n đ ng trung áp ọ ố ấ ứ ụ ề ộ

Ưu điểm chính c a b nghủ ộ ịch lưu đa mức: điện áp đặt lên các linh ki n gi m xu ng ệ ả ốnên công su t cấ ủa bộ nghịch lưu tăng lên, đồng th i công su t t n hao do quá trình ờ ấ ổđóng cắt linh kiện cũng giảm theo, v i cùng t n s ớ ầ ố đóng cắt các thành ph n sóng hài ầ

bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu hai mức nên chất lượng điện áp ra tốt hơn

y Chính vì vậ tôi đã chọn đề tài "“Thiết kế, xây dựng hệ thống truyề n đ ng ộ

công suất lớn sử ụng biến tần nguồ d n áp”"

Mục đích nghiên cứu:

Mục đích của đ tài là nghiên cứu, phân tích các trạng thái và quá trình chuyểề n

mạch của các khóa bán dẫn trong các bộ nghịch lưu áp đa mức; phân tích hai phương pháp điều ch ế vectơ không gian cho bộ nghịch lưu áp 3 mức c u trúc NPC ấTrên cơ sở đó xây dựng thu t toán và viậ ết chương trình mô phỏng cho phương pháp điều ch ế vectơ không gian cho bộ nghịch lưu 3 mức Đánh giá chất lượng phương pháp điều ch ế cho các trường h p khác nhau c a t i ợ ủ ả

Đối tượng và ph m vi nghiên c u: ạ ứ

Nội dung của luận văn nhằm phân tích trạng thái, quá trình chuyển mạch của các khóa bán dẫn và hai phương pháp điều chế vectơ không gian cho bộ nghịch lưu

áp 3 mức ấu trúc điốt kẹc p (Three level Neutral Point Clamped Inverters: 3L-NPC)

Phương pháp nghiên cứu:

L nói u ời đầ

n Trên cơ sở phân tích, xây dựng thuật toán và tiến hành mô phỏng trên phầ

mềm Matlab đ phân tích, đánh giá về đặể c tính đi u chỉnh, dạề ng sóng ngõ ra và độ

méo sóng hài cũng như phân tích hài ở ộ m t số ch s điều chế ỉ ố quan tr ng ọ

Ý nghĩa khoa học và th c ti n cự ễ ủa đề tài:

Thông qua việc nghiên cứu phương pháp điều chế vectơ không gian cho bộnghịch lưu áp 3 mức cho thấy tổn hao đóng ngắt, tỉ ệ sóng hài xuống t ấp, chất l hlượng dòng điện và điện áp ra t t ch ng minh ph m vi ng dố ứ ạ ứ ụng trong điều khi n ểtruyền động là thực tế

C u trúc luấ ận văn:

Chương 1 : ệ ốH th ng truyền động bi n t n – ế ầ động cơ xoay chiều

Chương 2 : Thi t k bi n t n nguế ế ế ầ ồn áp cho động cơ trung áp

Chương : Phương pháp điều chế vector không gian cho nghịch lưu áp 3 mức.3

Chương 4 : Mô ph ng h trong Matlab-Simulink ỏ ệ

Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS TS Nguyễn Văn Liễn Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Li n và các Th y trong bễ ầ ộ môn đã ạo điềt u kiện cho tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn Kính mong được các Thầy và các bạn

đồng nghiệp đóng góp ý kiến để ế k t qu nghiên cả ứu đượ ốt hơn.c t

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

CHƯƠNG I. H Ệ THỐNG TRUYỀ N Đ NG ĐI Ộ Ệ N BI N TẦN - Ế

Trong các hệ ống điề th u t c bi n t n cho c 2 loố ế ầ ả ại động cơ xoay chiều đồng bộ

và không đồng b thì b bi n t n là khâu quan tr ng quyộ ộ ế ầ ọ ết định đến chất lượng c a ủ

h thệ ống truyền động Phụ thu c vào phộ ạm vi điều ch nh, vào ph m vi công su t ỉ ạ ấtruyền động, vào hướng điều chỉnh mà có các ại biến tần và phương pháp khốlo ng chế ế ầ bi n t n khác nhau Trong th c tế các bộ ế ần đượự bi n t c chia làm hai nhóm: các

b biộ ến tần là biến tần trực tiếp và các bộ ến tần gián tiếp có khâu trung gian một bichiều Trước đây, các hệ truyền động dùng biến tần trực tiếp do chất lượng điện áp

đầu ra thấp nên thường dùng ở lĩnh vực công su t lấ ớn, nơi chỉ tiêu v hi u suề ệ ất được đặt lên hàng đầu Ngày nay, v i s phát tri n cớ ự ể ủa điệ ửn t công su t và k thu t vi ấ ỹ ậđiều khiển, phương pháp điều khi n bi n t n ki u ma tr n cho chể ế ầ ể ậ ất lượng điện áp ra cao, giả ảnh hưởm ng xấu đến lưới điện nên ph m vi ng dạ ứ ụng đang ngày càng được

m rở ộng Được ứng dụng nhiều nhất hiện nay vẫn là các h ệ điề ốu t c bi n t n dùng ế ầ

b biộ ến tần gián tiếp, các bộ biến tần loại này có thể khống chế theo các phương pháp khác nhau: điều ch rế độ ộng xung (PWM); điều khiển vector; điều khi n tr c ể ự

ti p mô men ế

Biến tần điều chế độ ộng xung (PWM) với việc điều khiển điện áp và tần số rtheo qui luật U1/ῳ1 = const dễ ự th c hi n nhệ ất, đường đặc tính cơ biến tần c a nủ ó về

cơ bản là t nh ti n lên xuị ế ống, độ ứng cũng khá tố c t, có th tho mãn yêu cể ả ầu điều

tốc thông thường, nhưng khi tốc độ giảm thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm

tản cuộn dây ảnh hưởng đáng kể đến mô men cực đ i c a đạ ủ ộng cơ, buộc ph i ti n ả ếhành bù sụt điện áp cho mạch stator Điều khiển Es/ 1 = const là m c tiêu thῳ ụ ực hiện bù điện áp thông dụng với U1/ῳ1 = const, khi ở ạ tr ng thái ổn định có thể làm cho t thông khe hừ ở không khí không đổi ( m = const), tΦ ừ đó cải thiện được chất lượng điề ố ở ạu t c tr ng thái ổn định Nhưng đường đặc tính c a nó v n là phi tuy n, ủ ẫ ế

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

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

H th ng truyệ ố ền động điều khi n Er/ 1 = const có th nhể ῳ ể ận được đường đặc tính

cơ tuyến tính giống như ở động cơ một chi u kích thích t c l p, nh ó có th ề ừ độ ậ ờ đ ể

th c hiự ện điề ốc vớu t i chất lượng cao D a vào yêu cự ầu tổng từ thông của toàn mạch rotor Φm= const để tiến hành điều khiển có thể nhận được Er/ῳ1 = const Trong

trạng thái ổn định và trạng thái động đều có thể duy trì Er/ῳ1 = const là mục đích

c a ủ điều tốc biến tần đi u khiển vec tơ, đương nhiên hệ ống điều khiển của nó là ề thkhá phức tạp D a trên k t quự ế ả ừ t 2 h ng m c nghiên cạ ụ ứu: “Nguyên lý điều khiển định hướng t ừ trường động cơ không đồng b ” do F Blaschke c a hãng Siemens ộ ủ

Cộng hoà Liên bang Đức đưa ra vào năm 1971 và “Điều khiển biến đ i toạ độ điện ổ

áp stator động cơ cảm ng” do P.C Custman và A.A Clark M công b trong ứ ở ỹ ốsáng ch phát minh cế ủa họ, qua nhi u c i ti n liên tề ả ế ục đã hình thành được hệ ố th ng điề ốu t c bi n tế ần điều khi n vector mà ể ngày nay đã trở nên r t ph bi n ấ ổ ế

1.2 CÁC B BIỘ ẾN TẦN DÙNG D NG C BÁN DỤ Ụ ẪN CÔNG SUẤT

1.2.1 Biến tần trực ti p (xoay chiế ều - xoay chiều)

Cấu trúc của thiết bị biến tần trực tiếp như trên hình 1.1 Bộ biến đổi này chỉdùng m t khâu biộ ến đổi là có thể ến đổ bi i nguồn đ ệi n xoay chiều có điện áp và tần

s ố không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được Do quá trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ ế bi n t n tr c tiầ ự ếp, còn được g i là b biọ ộ ến đổi sóng c nh (Cycloconverter) ố đị

Hình 1 1: Thiết bị biế ần t n trực tiế p (xoay chi u - xoay chiều) ề

Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều được tạo bởi mạch điện mắc song song ngược hai sơ đồ chỉnh lưu thyristor (hình 1.2) Hai sơ đ chồ ỉnh lưu thuận ngượ ần lượt được điềc l u khi n làm vi c theo chu k nhể ệ ỳ ất định Trên ph t i s ụ ả ẽ

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

nhận được điện áp ra xoay chiều U(t) Biên độ ủa nó phụ c thuộc vào góc điều khiển

α, còn t n s c a nó ph thu c vào t n s kh ng ch quá trình chuyầ ố ủ ụ ộ ầ ố ố ế ển đổ ựi s làm

việc của hai sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược Nếu góc điều khiển α không thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra có giá tr ị không đổi trong m i n a chu k ỗ ử ỳ điện

áp đầu ra Mu n nhố ận được điện áp đ u ra có dạầ ng gần hình sin hơn cần ph i liên ảtục thay đổi góc điều khiển các van của mỗi sơ đồ chỉnh lưu trong thời gian làm

việc của nó (mỗi nửa chu kỳ điện áp ra); chẳng hạ ở ửa chu kỳ làm việc củn n a sơ đồthuận, thực hiện thay đổi góc điều khiển α từ π/2 (ứng với điện áp trung bình b ng ằkhông) gi m d n t i 0 ( ng vả ầ ớ ứ ới điện áp trung bình là cực đại), sau đó lại tăng dầ αn

t ừ 0 lên tớ π/2 thì điện áp trung bình đầu ra củi a sơ đ chỉnh lưu lại từ giá trị ựồ c c đ i ạ

giảm về 0, tức là làm cho góc α thay đổi trong phạm vi π/2 ÷ 0 ÷ π/2, để điện áp

biến đổi theo quy luật gần hình sin, như trên hình 1.3 Trong đó, tại điểm A có α = 0, điện áp chỉnh lưu trung bình cực đại, sau đó tại các đi m B, C, D, E góc ể α tăng dần lên, điện áp trung bình gi m xu ng dả ố ần, cho đến điểm F v i = ớ α π/2 điện áp trung bình là 0 Điện áp trung bình trong n a chu kỳử là hình sin trong hình v th hi n ẽ ể ệ

bằng nét đứt Sự điều khiển sơ đồ ngược trong nửa chu kỳ âm điện áp ra cũng tương

t ự như thế

Hình 1 2: Sơ đồnguyên lý bộ biế ần t n trực tiếp

Trên đây đã phân tích đầu ra m t pha bi n t n xoay chi u - xoay chi u (tr c ộ ế ầ ề ề ự

tiếp), đối với phụ ải ba pha, hai pha khác cũng dùng mạ t ch điện đảo chiều mắc song song ngược, điện áp trung bình đầu ra có góc pha lệch nhau 120 độ Như vậy, nếu mỗi một sơ đồ chỉnh lưu đều dùng lo i sơ đ c u ba pha thì b bi n t n ba pha s ạ ồ ầ ộ ế ầ ẽ

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

c n t ng c ng tầ ổ ộ ới 36 thyristor (mỗi nhánh cầu chỉ dùng m t thyristor), n u dùng loộ ế ại

sơ đồ tia ba pha, cũng phải dùng tới 18 thyristor Vì vậy thiết bị biến tần trực tiếp tuy về mặt c u trúc chấ ỉ dùng một khâu biến đổi, nhưng số lượng linh kiện lại tăng lên r t nhiấ ều, kích thước tổng tăng lên rấ ớt l n Do nh ng thi t bữ ế ị này đều tương tựnhư thiế ị ủt b c a b biộ ến đổi có đảo dòng thường dùng trong h thệ ống điề ốu t c m t ộchiều có đảo chi u nên quá trình chuy n m ch chiề ể ạ ều dòng điện được th c hi n ự ệ

giống như trong sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển (chuyển mạch tự nhiên), đối với các linh ki n không có các yêu cệ ầu gì đặc bi t ệ

Hình 1 3: Đồ thị đi n áp đ ệ ầu ra c a thiủ ết bị biế ần xoay chiền t u - xoay chi u hình sin ề

Ngoài ra, t hình 1.3 có thừ ể thấy, khi điện áp đổi chiều đồ ị th hình sin của điện

áp nguồn cũng có thể biến đổi theo r t nhanh chóng, vì v y t n sấ ậ ầ ố đầu ra l n nhớ ất cũng không vượt quá 1/3 ÷ 1/2 t n s lầ ố 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

của hệ ống điều tốc biến tần Do số lượng linh kiện tăng lên nhiều, tần số đầu ra th

giảm xuống, phạm vi thay đổi tần số đầu ra của bộ ến tần hẹp (vì cũng bị ới hạ bi g n

c tả ần số thấp nhất) nên ệ điều tốc này ít được dùng, chỉ trong một số lĩnh vực h công su t l n và c n tấ ớ ầ ốc đ ộlàm vi c th p, ch ng hệ ấ ẳ ạn như máy cán thép, máy nghiền

bi, lò xi măng những loại máy này khi dùng động cơ tốc đ thộ ấp được cấp điện

bởi biến tần trực tiếp có thể loại bỏ được hộp giảm tốc rất cồng kềnh và thường dùng thyristor mắc song song mới thoả mãn được yêu cầu công suất đầu ra Bộ ến bi

tần trực tiếp tuy có một số nhược điểm là số lượng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi

tần số không rộng, chất lượng điện áp ra thấp, nhưng có ưu điểm là hiệu suất cao

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

hơn so với các b bi n t n gián tiộ ế ầ ếp, điều này đ c biặ ệt có ý nghĩa khi công suấ ệt h

thống điều tốc cực lớn (các hệ ống dùng động cơ công suất đế th n 16.000 KW)

Hình 1 : Sóng hài b c nh t dòng, áp trên t 4 ậ ấ ải và các ch ế độ làm việc

của các khâu trong biến tần trực tiếp

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

có bốn giai đoạn Trong hai khoảng ta có tích điện áp và dòng điện c a bi n tủ ế ần dương, biế ầ ấn t n l y công su t t ấ ừ lưới cung c p cho t i Trong hai kho ng còn l i ta ấ ả ả ạ

có tích giữa điện áp và dòng điện trong bi n t n âm nên bi n t n biế ầ ế ầ ến đổi cung cấp

l i công suạ ất cho lưới

1.2.2 B bi ộ ến tần gián ti p ế

B biộ ến tần trực tiếp có ưu điểm là có thể thiết kế ới một công suất khá lớ ở v n

đầu ra và hi u su t cao, nhệ ấ ưng có mộ ố nhược điểt s m sau:

- Ch có tỉ ạo ra điện áp xoay chiều đầu ra v i t n s thớ ầ ố ấp hơn tần số điện áp

- Khó điều khiể ở ần số ận không vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ khá n t c

l n ớ

- Độ tinh và độ chính xác trong điều khi n không cao ể

- Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

Chính vì những đặc điểm trên mà m t lo i bi n tộ ạ ế ần khác được đưa ra để nâng cao chất lượng h truyệ ền động bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều, đó là biến t n gián ầ

tiếp Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục những nhược điểm của bộ ến tần bi

tr c ti p trên ự ế ở

Hình 1 5: Thiết bị biế ần t n gián tiếp

B biộ ến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều có thể có các cấu trúc khác nhau, cấ trúc chung đượu c mô tả như hình 1.5 Về cơ bản có th có ba khâuể chính: chỉnh lưu, lọc và nghịch lưu Phụ thu c vào viộ ệc điều chỉnh điện áp đầu ra mà có

th ể có ba dạng sau: Bộ biến tần dùng chỉnh lưu có điều khiển, bộ biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển nhưng thêm bộ ến đổ bi i xung áp m t chi u, b bi n t n ộ ề ộ ế ầdùng chỉnh lưu không điều khi n v i nghể ớ ịch lưu thực hiện điều chế độ ộ r ng xung (PWM)

a. Thiế ị ến tầt b bi n gián ti p dùng chế ỉ nh lưu đi u khiể ề n

B biộ ến tần này có cấu trúc như trên hình 1.6a, điện áp xoay chiều lưới điện được biến đổ hành điệi t n áp m t chi u có đi u ch nh nh chộ ề ề ỉ ờ ỉnh lưu điều khi n ểthyristor, khâu l c có th là bọ ể ộ ọc điệ l n dung hoặc điện c m phả ụ thuộc vào dạng nghịch lưu yêu cầu, khối nghịch lưu có thể ử ụng các thyristor hoặc transistor s d

Việc điều chỉnh giá trị điện áp ra U2 được thực hiện bằng việc điều khiển góc điều khiển bộ chỉnh lưu, việc điều chỉnh tần số ến hành bởi khâu nghịch lưu, tuy nhiên tiquá trình điều khiển được ph i h p trên cùng m t mố ợ ộ ạch điện điều khi n C u trúc ể ấ

của bộ biến tần loại này đơn giản, dễ điều khiển nhưng do khâu biến đổi điện áp xoay chi u thành mề ột chiều (đầu vào) sử ụ d ng chỉnh lưu điều khi n thyristor nên ểkhi điện áp ra th p thì h s công su t gi m th p; khâu biấ ệ ố ấ ả ấ ến đổi điện áp ho c dòng ặđiện m t chi u thành xoay chiộ ề ều (đầu ra) thường dùng ngh ch áp 3 pha b ng ị ằ

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

thyristor nên sóng hài bậc cao trong điện áp xoay chiều đầu ra thường có biên độ khá lớn Đây là nhược điểm ch y u c a loủ ế ủ ại bộ ế ần này bi n t

Hình 1 6: Bộ biế ần gián tiến t p có khâu trung gian một chiều

a) Biến t n dùng ch ầ ỉnh lưu điều khiể n b ng thyristor ằ b) Biến t n dùng ch ầ ỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biế n đ i xung điện áp ổ

c) Biến t n dùng ch ầ ỉnh lưu không điều khiể n v i ngh ch lưu đi u ch ớ ị ề ế PWM

b Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có bộ ế bi n đ xung điện áp ổi

B biộ ến tần xoay gián tiếp dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển kết hợp với bộ

biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh điện áp một chiề ở đầu vào khối u nghịch lưu được biểu di n trên hình 1.6b ễ

Việc biến đổi điện áp xoay chiều thành một ch ều để ấp cho khối nghịch lưu sửi c

dụng bộ chỉnh lưu điôt không điều khiển Khối nghịch lưu chỉ có nhiệm vụ ến đổi biđiện áp m t chi u thành xoay chi u v i t n s ộ ề ề ớ ầ ố điều chỉnh được mà không có kh ảnăng điều chỉnh điện áp ra c a nghủ ịch lưu nên giữa kh i ch nh ố ỉ lưu và nghịch lưu bốtrí thêm bộ ến đổi xung điệ bi n áp m t chiộ ều để điều ch nh giá trỉ ị điện áp m t chiộ ều

cấp cho nghịch lưu nhằm thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều đầu ra nghịch lưu U2 Mặc dù bộ biến tần này đã phải thêm m t khâu ộ

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

(chưa kể ph i thêm khâu lả ọc) nhưng hệ ố s công suất đầu vào khá cao, kh c ph c ắ ụđược nhược đi m c a b bi n t n th nh t trên hình 1.6a Kh i nghể ủ ộ ế ầ ứ ấ ố ịch lưu đầu ra không thay đổi nên v n t n tẫ ồ ại nhược điểm là các sóng hài b c cao có biên đ khá ậ ộ

l n ớ

c Bi n tế ần dùng bộchỉnh lưu không điều khiển vớ ội b nghịch lưu PWM

Như trên đã trình bày, trong hệ thống 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 ếthyristor thì việc điều chỉnh điện áp và tần số được thực hiện riêng ở hai khâu: điều chỉnh t n số ởầ khâu nghịch lưu, còn điều chỉnh điện áp th c hi n khâu chự ệ ở ỉnh lưu, điều này đã kéo theo một lo t vạ ấn đề Đ ó là:

(1) Mạch điện chính có 2 khâu công suất điều khiển được, nghĩa là khá phức tạp (2) Do khâu một chiều trung gian có bộ ọc bằng tụ ọc hoặc điện kháng với l lquán tính lớn, làm cho tính thích nghi trạng thái động của hệ ống thườ th ng bị ch m ậ

tr ễ

(3) Do bộ chỉnh lưu có điều khi n làm cho hể ệ ố s công su t c a nguấ ủ ồn điện cung

cấp giảm nhỏ khi công suất đầu ra giảm xuống theo sự thay đổi chế độ làm việc của

h ệ điề ốc, đồu t ng thời làm tăng sóng hài bậc cao trong dòng điện ngu n ồ

(4) Đầu ra c a b nghủ ộ ịch lưu là điện áp (dòng điện) có d ng khác xa hình sin, ạ

tạo ra nhiều sóng hài bậc cao trong dòng điện động cơ, dẫn tới mô men biến động khá l n ớ ảnh hưởng t i tính ớ ổn định làm việc của động cơ, đặc biệt khi ở ốc độ thấ t p

Vì v y các thi t bậ ế ị biến t n do các linh kiầ ện điện tử công suất d ng thyristor ạkhông thể đáp ứng được nh ng yêu cữ ầu đối với những h thệ ống điều t c bi n tố ế ần

hiện đại Sự xuất hiện các linh kiện điện tử công suất điều khiển hoàn toàn (GTO, IGBT, ) cùng với sự phát triển c a kỹủ thuật vi điện tử đã tạo ra được các đi u ki n ề ệ

tốt để ải quyế ấn đề gi t v này

Năm 1964 A.Schönung và mộ ố đồt s ng nghiệp người Đức đã đưa ra ý tưởng

biến tần điều chế độ ộng xung, họ ứng dụng kỹ r thuật điều chế trong hệ ống thông thtin vào việc điều chế ệ đi n áp ra c a bi n tủ ế ần Bộ ế bi n t n PWM ng d ng kầ ứ ụ ỹ thu t ậ

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

này về cơ bản đã giải quyết được vấn đề ồ t n t i trong bạ ộ biến tần thông thường dùng thyristor, tạo điều ki n cho s phát triệ ự ển lĩnh vực mới là hệ thống điều tốc dòng điện xoay chi u cề ận đại Hình 1.6c gi i thi u c u trúc b bi n t n PWM, b ớ ệ ấ ộ ế ầ ộbiến tần này vẫn là b bi n t n gián ti p có khâu trung gian m t chi u, ch khác là ộ ế ầ ế ộ ề ỉkhâu chỉnh lưu chỉ ầ c n là chỉnh lưu không điều khiển, điện áp ra của nó sau khi đi qua bộ ọ l c C (hoặc L-C) cho điện áp m t chi u có giá trộ ề ị không đổi dùng để ấ c p cho khâu nghịch lưu, linh kiện đóng mở công suất trong khâu nghịch lưu là các phần tử điều khiển hoàn toàn và được đi u khiề ển đóng cắ ớ ầt v i t n s khá cao, t o nên trên ố ạ

đầu ra m t lo t xung hình ch nh t vộ ạ ữ ậ ới độ ộng khác nhau, còn phương pháp điề r u khiển quy luật phân bố ời gian và trình tự thao tác đóng ắt (mở khóa) chính là th - c - phương pháp điều ch ế độ ộ r ng xung Ở đây, thông qua việc thay đổi độ ộ r ng c a ủcác xung hình chữ nhật có thể điều ch giá trế ị biên độ điện áp của sóng cơ bản đầu

ra nghịch lưu, đáp ứng yêu c u ph i hầ ố ợp điều khiển tần số và điện áp của hệ điều

t c bi n tố ế ần

Đặc điểm ch y u c a mủ ế ủ ạch điện trên hình 1.6c là:

(1) Mạch điện chính chỉ có m t khâu công suất điềộ u khiển được, đơn giản hoá

cấu trúc, hệ ố công suất của mạng điện không liên quan tới biên độ ủa điện áp đầu s c

h th ng truyệ ố ền động

d Biến tầ n đi u khiể ề n vector

Với sự ra đời của các dụng bán dẫn công suất điều khiển hoàn toàn đã dẫn đến

việc xuất hiện nghịch lưu điều chế độ ộng xung hình sin (SPWM) đã cải thiện một r

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

bước chất lượng điều t c đố ộng cơ xoay chiều Các bi n t n SPWM vế ầ ới phương pháp điều ch nh Uỉ 1/fs = constant (fs là tần số sóng hài cơ bả điện áp đặt vào mạn ch stator động cơ, đây cũng chính là tần s fố 2 trong các sơ đồ hình 1.6 và 1.7) có thểcho 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

phạm điều chỉnh đã được mở ộng nhưng mô men cự r c đ i bịạ giới hạn và chưa đáp ứng được yêu c u cao v chầ ề ất lượng tĩnh của ph n l n các h ầ ớ ệ điều t c V i các h ố ớ ệđiề ốu t c vòng kín dùng bi n t n gián tiế ầ ếp SPWM, như là hệ điề ốc điều t u khi n t n ể ầ

s ố trượt chẳng hạn, đã cải thiện đáng kể chất lượng tĩnh của hệ ống điều tố th c đ ng ộ

cơ xoay chi u, tề ạo được đặc tính g n v i hầ ớ ệ ống điề th u t c hai mố ạch vòng động cơ

một chiều, tuy nhiên chất lượng động của hệ thì vẫn còn xa mới đạt được như hệ

thống điều tốc hai mạch vòng động cơ một chi u ề

Dựa trên kết quả nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hướng từ trường động

cơ không đồng b ” do F Blaschke c a hãng Siemens Cộ ủ ộng hoà Liên bang Đức đưa

ra vào năm 1971, và “Điều khi n biể ến đổi to ạ độ điện áp stator động cơ cả ứm ng”

do P.C Custman và A A Clark ở M công b ỹ ốtrong sáng ch phát minh cế ủa họ, qua nhiều cải ti n liên tế ục đã hình thành được hệ ống điề th u t c biố ến tần điều khiển vector mà ngày nay đượ ức ng d ng r t ph bi n ụ ấ ổ ế

Hình 1 7: Bộ biế ần t n đi ều khiển vector

Cấu trúc phổ biến phần lực của biến tần sử ụng nghịch lưu điều khiển vector d(biến tần vector) được mô tả như trên hình 1.7 Về ơ bản các thiết bị c phần lực của

biến tần này hoàn toàn tương tự như của biến tần điều chế độ ộng xung hình sin, rchỉ khác là việc điều khi n kh i nghể ố ịch lưu áp dụng phương pháp đ ềi u khi n vector ểTrong bi n tế ần điều khiển vector, người ta áp d ng phép biụ ến đổi tọa đ ộkhông gian các vector dòng, áp, từ thông động cơ từ ệ h ba a-b-c pha sang h hai pha quay dệ -q, quay đồng b v i t ộ ớ ừ trường stator c a đủ ộng cơ và thường ch n tr c d trùng v i ọ ụ ớ

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

vector từ thông rotor (điều khiển định hướng theo từ trường rotor) Thông qua phép

biến đổi tọa đ không gian vector, các đại lượng dòng áp xoay chiều hình sin của ộđộng cơ trở thành đại lượng m t chi u nên hoàn toàn có th s d ng các k t qu ộ ề ể ử ụ ế ảnghiên cứu tổng hợp hệ truyền động động cơ một chiều để thiết kế các bộ điều chỉnh Sau đó, các đại lượng m t chiộ ều đầu ra các bộ điều ch nh lỉ ại được biến đổi thành đại lượng xoay chi u ba pha qua phép biề ến đổi ngượ ọc t a đ kh ng ch ộ để ố ếthiết bị phát xung điều kh ển các van nghịch lưu Hệi truyền động điện biến tần vector - động cơ xoay chiều được thực hiệ ở ạng hệ vòng kín, với việc điều khiển n dđịnh hướng theo t ừ trường rotor cho phép có th ể duy trì đượ ừc t thông rotor không

đổ ởi ( vùng t n s thầ ố ấp hơn tần s cơ b n), th c hiố ả ự ện được quan h Er/fs= h ng s , ệ ằ ố

nh ờ đó mà đặc tính cơ của động cơ xoay chiều không đồng bộ trong hệ có dạng như đặc tính động cơ một chi u (v i kh ề ớ ả năng quá tải mô men r t l n) ấ ớ

Luận văn sẽ ế ti n hành nghiên c u b bi n t nứ ộ ế ầ điều khi n vector này ể

1.3 THIẾT BỊ CHUYỂN MẠCH CÔNG SUẤT LỚN

Việc phát triển thiết bị chuyển mạch bán dẫn về cơ bản là nghiên cứu các thiết

b chuyị ển mạch lý tưởng Nỗ ực này nhằm giảm tiêu hao điện năng của thiết bị, ltăng tần s chuy n mố ể ạch và đơn giản hóa mạch điều khi n van S phát tri n c a ể ự ể ủcác thiết bị chuy n m ch d n đ u quá trình phát tri n thi t b chuyể ạ ẫ ầ ể ế ị ển đổi công su t ấ

lớn, đồng thời trong một thời gian ngắn, những ứng dụng rộng rãi của các bộchuyển đổi công suất lớn trong ngành công nghiệp đã đưa ngành công nghệ bán dẫn theo hướng c i thiả ện độ tin v y c a thi t b và gi m chi phí s n xu t ậ ủ ế ị ả ả ấ

Thiết bị chuyển mạch công suất lớn có 2 loại chính được ứng dụng trong các bộ

biến đổi, đó là thiết bị ựa trên cấu trúc Thyristor và thiết bị ựa trên Transistor, d dnhư SCR, GTO, GCT, IGBT, IEGT M t s thi t b chuy n mộ ố ế ị ể ạch khác như là MOSFET, ETO, MCT, SIT không có ý nghĩa quan trọng trong các ng d ng công ứ ụ

su t l n ấ ớ

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

Hình 1 8: Điện áp và dòng điện c a thi t b bán d n công su t l n ủ ế ị ẫ ấ ớ

Hình 1.8 chỉ ra rằng điện áp và dòng điện định mức của các thiết bị chuy n ể

mạch chính dùng cho các bộ ến đổi công suất lớn đều có sẵn trên thị trường Các binhà s n xu t thi t b bán d n có th chào hàng thi t bả ấ ế ị ẫ ể ế ị SCR c a họ ủ lên tới 12kV/1.5kA hay 4.8kV/5kA Còn GTO và GCT có th ể đạt được điện áp và dòng điện tương ứng lên t i 6kV và 6kA IGBT thì thớ ấp hơn, nhưng v n đẫ ạt được điện áp

và dòng điện khá cao, 6.5kV/0.6kA ho c 1.7kV/3.6kA ặ

Trong ph m vi luạ ận văn này, ta đi nghiên cứu các đ c tính cơ bảặ n c a các thi t b ủ ế ịbán d n công su t lẫ ấ ớn thường được sử ụ d ng, và so sảnh đặc tính của các thiế ị đó.t b 1.3.1. Đ ỐI T

Điốt công su t lấ ớn thường được chia làm 2 lo i chính, m t loạ ộ ại thường được s ửdụng cho các mạch chỉnh lưu không điều khiển và một loại phục hồi nhanh thường được s d ng cho b biử ụ ộ ến đổi nguồn áp như một Điốt xoay t do Nhự ững Điốt này

có s n trên thẵ ị trường với 2 công nghệ đóng gói, press-back ho c lo i modul (Hình ặ ạ1.9)

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

Hình 1 9: Điốt loại press pack 4.5-- kV/0.8 kA - và modul 1.7 kV/1.2 kA - -

Điốt press-pack có đặc trưng là lớp làm mát 2 mặt, đối v i ng dớ ứ ụng điện áp trung bình, m t sộ ố Điố đượt c mắc nối tiếp với nhau Những Điốt này n vgắ ới b ộlàm mát b ng ằ 2 bulông nh , nhỏ ờ đó nâng cao mật độ công su t c a thi t bấ ủ ế ị Đây là

một trong những lý do cơ bản để người ta tiếp tục ứng dụng thiết bị bán dẫn pressback trong bi n tế ần trung áp Còn Điốt modul có m t lộ ớp đệm cách ly và làm mát

-m t -m t, -mà -m t s ộ ặ ộ ố Điốt có th ể được gắn trên m t này ặ

1.3.2 SCR (Silicon Controller Rectifier)

SCR thuộc họ Thyristor gồm có 3 c c : G, A, K Nó có thự ể được mở khi có một xung sườn dương kích vào c c G trong kho ng th i gian ngự ả ờ ắn, khi SCR được m , ở

nó sẽ được chố ạt l i Thi t bế ị chuyển mạch này được ngắt khi có xung sườn âm tác

động vào c c A SCR có th s d ng trong m ch chự ể ử ụ ạ ỉnh lưu có điều khi n bi n t n ể ở ế ầngu n dòng PWM hay dùng trong mồ ạch nghịch lưu ở động cơ đồng bộ

Cũng ưu tiên tớ ấn đề ự ắ ầi v t t t d n giống như GTO và IGBT, SCR thường được

s dử ụng trong nghịch lưu áp chuyển mạch cưỡng bức Hình 1.10 cho thấy đặc tính chuyển mạch của SCR với dạng sóng điển hình ới dòng cực G i v G, dòng anode iT, điện áp A-K vT

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

chuyển mạch

Turn-on time

Turn-off time diT/dt dvT/dt

Qrr

tgt = 14 µs t q = 1200 µs 100 A/ µs 2000 V/µs 7000 µC Part number: FT1500AU-240 (Mitsubish i)

1.3.3 GTO (Gate Turn-Off Thyristor)

Trong những năm gần đây, GTO trở thành linh kiện đóng ngắt đươc sử dụng rộng rãi cho các mạch công suất lớn: một GTO loại “nối tắt anode” có điện áp định mức khoảng 4500V và dòng định mức 6000A Các giá trị tương ứng của loại GTO cho phép dẫn dòng ngược là 4500V và 3000A (Mitsubishi 1998) Điện áp đặt trên

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

GTO khi dẫn điện thường cao hơn SCR (2 3V) Tốc độ đóng ngắt từ vài µs đến 25µs Tần số đóng ngắt khoảng 100Hz đến 10kHz

-GTO có cấu tạo gồm bốn lớp pnpn tương tự với thyristor thông thường (SCR)- hình 1.11, với các tính năng tương tự của thyristor với điểm khác biệt là có thể điều khiển ngắt dòng điện qua nó Mạch tương đương GTO tương tự mạch mô tả SCR nhưng có thêm cổng kích ngắt mắc song song cổng kích đóng

GTO được kích đóng bằng xung dòng điện tương tự như khi kích đóng thyristor thông thường Dòng điện kích đóng được tăng đến giá trị IG1M và sau đó giảm xuống đến giá trị IG1 Điểm khác biệt so với yêu cầu xung kích đóng SCR là dòng kích iG1 phải tiếp tục duy trì trong suốt thời gian GTO dẫn điện

Hình 1 11: Cấu trúc GTO c ông suất lớ và Cấn u trúc Đi t ngược ố

Để kích ngắt GTO, xung dòng điện âm lớn được đưa vào cổng G cathode với –

độ dốc (diG2/dt) lớn hơn giá trị qui định của linh kiện, nó đẩy các hạt mang điện khỏi cathode, tức ra khỏi emitter của transistor pnp và transistor npn sẽ không thể hoạt động ở chế độ tái sinh Sau khi transistor npn tắt, transistor pnp còn lại sẽ hoạt động với cổng kích đóng ở trạng thái mở và linh kiện trở về trạng thái không dẫn điện Tuy nhiên, dòng điện yêu cầu mạch cổng G để tắt GTO có giá trị khá lớn Trong khi xung dòng điện cần đưa vào cổng để kích đóng GTO chỉ cần đạt giá trị khoảng 3 5%, tức khoảng 30A với độ rộng xung 10µs đối với loại linh kiện có dòng -

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

định mức 1000A thì xung dòng điện kích cổng để ngắt GTO cần đạt đến khoảng 50%, tức khoảng 300A với độ rộng xung khoảng 20-50µs Mạch cổng phải thiết kế

30-có khả năng tạo xung dòng kích tối thiểu đạt các giá trị yêu cầu trên (IG2M) Điện áp cung cấp cho mạch cổng để tạo xung dòng lớn vừa nêu thường có giá trị thấp, khoảng 10 20V với độ rộng xung khoảng 20- -50µs, năng lượng tiêu tốn cho việc thực hiện kích ngắt GTO không cao

Hình 1 12: Đặc tính chuyển mạch của GTO

Năng lượng kích ngắt GTO nhiều gấp 10-20 lần năng lượng cần cho quá trình kích đóng GTO Điểm bất lợi về mạch kích ngắt là một nhược điểm của GTO khi so sánh nó với IGBT Hệ quả là thời gian ngắt dòng điện kéo dài, khả năng chịu di/dt, dv/dt kém, mạch bảo vệ khi kích đóng và kích ngắt làm tăng chi phí lắp đặt cũng như làm công suất hổn hao tăng lên Do khả năng kích ngắt chậm nên GTO được sử dụng trong các bộ nghịch lưu điều chế độ rộng xung (PWM) với tần số đóng ngắt thấp Tuy nhiên, điều này chấp nhận được trong các ứng dụng công suất lớn

1.3.4 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transitor)

IGBT là loại transistor lưỡng cực có cực điều khiển cách ly Nó kết hợp được 2

ưu điểm của transitor bipolar và MOSFET là chịu được dòng lớn và điều khiển bằng điện áp như MOSFET

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

Hình 1 13: IGBT 1.7 kV/1.2 kA và 3.3 kV/1.2 kA - - -

-Khi phát xung điều khiển +15V, IGBT sẽ chuyển mạch lên ON và sẽ về OFF khi điện áp điều khiển là 0V Phần lớn IGBT công suất lớn được thiết kế theo kiểu modul Đặc tính chuyển mạch của IGBT được thể hiện ở hình 1.14, trong đó thời gian trễ mở van tdon, thời gian thiết lập tr, thời gian trễ khóa van tdoff, và thời gian giảm áp tf

Hình 1 14: Đặc tính chuy ển mạch của IGBT

Chương I H th ng truyệ ố ền động điện bi n t n - ế ầ động cơ xoay chiều

Bảng 1.2 cho ta thông số cơ bản của IGBT 3.3kV/1.2kA, theo đó IGBT có đặc tính chuyển mạch tốt, nó có thể mở trong vòng 1µs và khóa trong vòng 2µs

Bảng 1 : Thông số cơ bản IGBT 3.3kV/1.2kA2

Điện áp bão hòa ICE sat = 4.3 V at IC = 1200 A

Part number: FZ1200 R33 KF2 (Eupec) IGBT có đặc điểm là mạch điều khiển phát xung đơn giản, tốc độ chuyển mạch cao, được thiết kế có tấm đệm cách ly Trong cấu trúc của một bộ biến đổi trung áp nên xem xét để sắp xếp các IGBT với hiệu suất làm mát cao nhất, thiết kế thanh dẫn tối ưu

Chương II Thiết kế ế ầ bi n t n ngu n áp cho truyồ ền động trung áp

CHƯƠNG II THIẾ T K BI N TẦ Ế Ế N NGU N ÁP CHO Ồ

ứng d ng m nh m ụ ạ ẽ

Mặc dù giá thành GTO đã giảm đáng kể trong vài năm trở ại đây, nhưng việc l

s dử ụng bộ ến đổi nguồn áp (VSC) và bộ bi biến đổi nguồn dòng (CSC) dùng khóa chuyển mạch GTO vẫn dần được thay thế ằng biến tần nguồn áp (VSC) dùng bIGBT hoặc IGCT cho những ng dứ ụng trong công nghiệp

Hình 2 1: Sơ đồ các khối chung trong hệ truyến động trung áp

Các hệ truyền động trung áp có d i công su t t 0,4 t i 40MW và dả ấ ừ ớ ải điện áp

t ừ 2,3 tới 13,8 KV Các hệ truyền động trung áp này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như: hệ thống bơm trong công nghiệp hóa d u, quầ ạt gió trong công nghiệp xi măng, bơm nước tại các trạm bơm công suất lớn, cán thép trong sản xuất thép…

Chương II Thiết kế ế ầ bi n t n ngu n áp cho truyồ ền động trung áp

Hình 2 2 D: ả i đi n áp và công suất trong truyề ệ n đ ng trung áp ộ

Ngày nay biến tần nguồn áp 2 mức (2L-VSC) ứng dụng IGBT đã thực sự bao trùm các c u trúc cấ ủa bộ ế bi n tần và biế ần t n nguồn áp 3 mức điô ẹt k p (3L-NPC) đã

ứng d ng r ng rãi trong các b bi n đ i trung áp công nghi p Hai c u trúc 2L-VSC ụ ộ ộ ế ổ ệ ấ

và 3L-NPC VSC có nhiều ưu điểm như: mạch ực đơn giả l n, có th t o ra nhi u ki u ể ạ ề ểđiều ch ế

B biộ ến đổi đa mức nhận được nhiều sự quan tâm trong những năm gần đây

và là sự ự l a chọ ốt nhất cho các ứn t ng d ng trungụ áp Về căn bản nó cho phép nâng cao điện áp mà không ph i n i ti p nhi u thi t bả ố ế ề ế ị, đó là cũng chính là ấu trúc cơ c

bản của nghịch lưu đa mức Một ưu điểm khác là chất lượng điện áp ra tốt hơn đồng

th i giờ ảm được nhiễu điệ ừ trườn t ng

Hiện nay có nhiều loại bán dẫn công suất và các cấu trúc bộ ến đổi rất khác binhau Tuy vậy chưa có nhiều tài li u so sánh s khác nhau giệ ự ữa các cấu trúc Vì vậy các luận điểm sẽ so sánh cặn kẽ ự s khác nhau gi a 2L VSC và 3L NPCVSC và sữ - - ựkhác nhau của các cấu trúc đa mức cho bộ ến đổ bi i trung áp

Chương II Thiết kế ế ầ bi n t n ngu n áp cho truyồ ền động trung áp

mức Điôt ẹ k p

GCT

IGBT IGBT

3 – 27

3 – 20

0.6 – 7.2 0.3 – 2.4

(ACS6000) General Electric (Innovation Series MV-SP)Siemens (SIMOVERT-MV) General Electric-Toshiba (Dura-Bilt5 MV)

ASI Robicon (Perfect Harmony)

Toshiba (TOSVERT-MV) General Electric (Innovation MV-GP Type H)

Alstom (ALSPA SD7000)

Chương II Thiết kế ế ầ bi n t n ngu n áp cho truyồ ền động trung áp

a H SIMOVERT MV series c ọ ủa Siemens

Hình 2 3: Sản phẩm SIMOVERT MV của Siemens

SIMOVERT MV là bộ biến t n sầ ử ụ d ng kỹ thuật nghịch lưu 3 ứm c d ng ạĐiôt ẹ k p NPC c ng v i b chộ ớ ộ ỉnh lưu cầu 12 xung không điều khi n (Có thêm l a ể ựchọn 24 xung) Ph n nghầ ịch lưu NPC sử ụ d ng các linh ki n công su t HV-IGBT ệ ấ(High Voltage Insulated Gate Bipolar Transistor) với độ méo dạng dòng điện nguồn

thấp, hiệu suất bộ chỉnh lưu cao Được thiết kế cho các điện áp tiêu chuẩn 2.3 kV3.3 kV 4.16 kV 6 kV và 6.6 kV Công su- ất thiế ế t k vào kho ng 0.66 MVA t i 7.2 ả ớMVA

-Chương II Thiết kế ế ầ bi n t n ngu n áp cho truyồ ền động trung áp

Hình 2 4: Sơ đồnguyên lý của Simovert MV

Hình 2 5: Module HV IGBT

SIMOVERT MV được điều khi n bể ằng điều khi n vòng h hoặc vòng kín ể ở

với phương pháp điều khiển Field Oriented Vector Control Phương pháp điều khiển Vector đạt được cùng một hiệu năng động giống như các bộ điều khiển động

-cơ DC Có nghĩa là từ thông và Momen được điều khi n mể ột cách chính xác, độc

l p ậ

Một bộ ọc IHV filter (Intergrated High Voltage) cho các động cơ ở l mức 6

kV và 6.6 kV

Chương II Thiết kế ế ầ bi n t n ngu n áp cho truyồ ền động trung áp

Hình 2 6: Điện áp và dòng điệ n đ u ra c a bộ Simovert MV 6kV và 6.6 kV với bộ ọ ầ ủ l c IHV

b Dura Bilt5 MV 2000/3000/4000 cuûa TOSHIBA-GE

Hình 2 7 : Dura Bilt5 MV series

Dura Bilt5 MV series c a TOSHIBA GE sủ - ử ụ d ng bộ chỉnh lưu 24 xung không điều khi n Ph n nghể ầ ịch lưu sử ụ d ng mô hình NPC 3 b c v i các linh ki n ậ ớ ệMedium Voltage IGBT

Chương II Thiết kế ế ầ bi n t n ngu n áp cho truyồ ền động trung áp

Hình 2 8: Sơ đồ nguyên lý của bộ biế ần Dura Bilt5 MV series n t

Dura Bilt5 MV series được áp dụng cho các động cơ tối đa 4.16 kV Công suất trên 4 MV S dử ụng phương pháp Flux control để điều khi n b NPC 3 bể ộ ậc

c ACS 6000 c a ABB ủ

ACS 6000 sử ụ d ng bộ chỉnh lưu 12/24 xung kết h p v i bợ ớ ộ nghịch lưu NPC

3 b c C o d i công su t l n tậ h ả ấ ớ ử 3- 27 MW S dử ụng các linh ki n IGCTs công suệ ất

l n S dớ ử ụng phương pháp điều khi n DTC (Direct Torque Control) ể

Chương II Thiết kế ế ầ bi n t n ngu n áp cho truyồ ền động trung áp

Hình 2 9: Bộ ACS 6000 Series của ABB

Hình 2 10: Sơ đồ nguyên lý ACS 6000

2.2 THIẾT KẾ Ộ B CHỈNH LƯU

2.2.1 Gi i thi u ớ ệ

B ộ chỉnh lưu là bộ biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều để làm nguồn điện áp một chiều cho các ứng dụng như các thiết bị ử ụng điện một chiề s d u,