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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN MẠNH CƯỜNG THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÔNG SUẤT LỚN SỬ DỤNG BIẾN TẦN NGUỒN ÁP LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội, 2010 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131815991000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN MẠNH CƯỜNG THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÔNG SUẤT LỚN SỬ DỤNG BIẾN TẦN NGUỒN ÁP LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN VĂN LIỄN Hà Nội, 2010 Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế, xây dựng hệ thống truyền động công suất lớn sử dụng biến tần nguồn áp” hoàn chỉnh thời gian ngắn đạt kết đặt Đồng thời, giúp nâng cao khả tự nghiên cứu thân tơi q trình ứng dụng thành tựu khoa học vào việc phát triển công nghệ cho đất nước Tôi chân thành cám ơn PGS TS Nguyễn Văn Liễn, người hướng dẫn trực tiếp cho tơi hồn thành luận văn Những lời khun, hướng dẫn bổ ích thầy nhiều vấn đề hệ thống truyền động bán tần công suất lớn mở hướng nghiên cứu giúp tiếp cận tốt với công nghệ Tôi xin cảm ơn giảng viên Khoa Điện, Bộ mơn Tự động hóa XNCN, trường ĐHBK Hà Nội tạo điều kiện tra cứu tài liệu, hướng dẫn cho tơi hồn thành tốt đề tài luận văn Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010 Học viên Nguyễn Mạnh Cường i Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: “Thiết kế, xây dựng hệ thống truyền động công suất lớn sử dụng biến tần nguồn áp” em tự thực hướng dẫn thầy PGS.TS NGUYỄN VĂN LIỄN Để hoàn thành đồ án em dùng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo mà không dùng tài liệu khác Khơng có chép, gian lận kết cơng trình nghiên cứu khác HỌC VIÊN Nguyễn Mạnh Cường ii Mục lục MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC KÝ HIỆU & CHỮ VIẾT TẮT .v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ & ĐỒ THỊ vi DANH MỤC CÁC BẢNG x LỜI NÓI ĐẦU xi CHƯƠNG I HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 1.1 TỔNG QUAN CHUNG 1.2 CÁC BỘ 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 .5 1.3 THIẾT BỊ CHUYỂN 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 THIẾT KẾ BIẾN TẦN NGUỒN ÁP CHO TRUYỀN ĐỘNG TRUNG ÁP 19 2.1 CÁC SẢN PHẨM THỰC TẾ .19 2.1.1 Giới thiệu 19 2.1.2 Các sản phẩm thực tế 20 2.2 THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU 26 2.2.1 Giới thiệu 26 2.2.2 Bộ chỉnh lưu cầu pha sáu xung: .27 2.2.3 Bộ chỉnh lưu 12 xung 32 2.3 BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC 34 iii Mục lục 2.3.1 Giới thiệu 34 2.3.2 Cấu trúc nghịch lưu áp đa mức Điốt kẹp .35 2.3.3 Kết luận .40 CHƯƠNG III PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÉC TƠ KHÔNG GIAN CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỨC 41 3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH 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 CHẾ VECTƠ KHÔNG GIAN .48 3.2.1 Khái niệm 48 3.2.2 Phương pháp điều chế cho nghịch lưu áp ba mức NPC 49 CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG HỆ TRONG MATLAB – SIMULINK 68 4.1 THUẬT TỐN MƠ PHỎNG .68 4.2 CÁC KHỐI TRONG MÔ HÌNH MƠ PHỎNG 69 4.3 MÔ PHỎNG VỚI TẢI R-L 76 4.3.1 Với m a = 0,7 : .76 4.3.2 Với m a = 0,6 : .78 4.3.3 Với m a = 0,8 : .78 4.4 MÔ PHỎNG VỚI TẢI LÀ ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT NHỎ .79 4.4.1 Tham số mô 79 4.4.2 Kết 80 4.5 MÔ PHỎNG VỚI TẢI LÀ ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN 81 4.5.1 Tham số mô 81 4.5.2 Kết 82 4.6 KẾT LUẬN 84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 PHỤ LỤC i iv Danh mục ký hiệu & chữ viết tắt DANH MỤC KÝ HIỆU & CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu/Viết tắt Giải thích 2L-VSC Level – Voltage Source Converter 3L-NPC Level – Neutral-Point Clamped APOD CBPWM CSC Current Source Converter DTC Direct Torque Control GCT Gate Controlled Thyristor GTO Gate Turn-Off Thyristor HVDC High Voltage DC transmission IEGT Injection-Enhanced Gate Transistor IGBT Insulated Gate Bipolar Transitor IGCT Integrated Gate Commutated Thyristor MCT MOS Control Thyristor MV Medium Voltage PD POD PWM Pulse Width Modulation SCR Silicon Controller Rectifier SFO-PWM SHE Selective harmonics elimination SIT Static Induction Transistor SPWM SVPWM Synchronized Pulse-Width Modulation THD VSC Voltage Source Converter v Danh mục hình vẽ & đồ thị DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ & ĐỒ THỊ Hình 1: Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) Hình 2: Sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp Hình 3: Đồ thị điện áp đầu thiết bị biến tần xoay chiều - xoay chiều hình sin Hình 4: Sóng hài bậc dòng, áp tải chế độ làm việc Hình 5: Thiết bị biến tần gián tiếp Hình 6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian chiều Hình 7: Bộ biến tần điều khiển vector 10 Hình 8: Điện áp dòng điện thiết bị bán dẫn công suất lớn 12 Hình 9: Điốt loại press-pack 4.5-kV/0.8-kA modul 1.7-kV/1.2-kA 13 Hình 10: Đặc tính chuyển mạch SCR 14 Hình 11: Cấu trúc GTO công suất lớn Cấu trúc Điốt ngược 15 Hình 12: Đặc tính chuyển mạch GTO 16 Hình 13: IGBT 1.7-kV/1.2-kA 3.3-kV/1.2-kA 17 Hình 14: Đặc tính chuyển mạch IGBT 17 Hình 1: Sơ đồ khối chung hệ truyến động trung áp 19 Hình 2: Dải điện áp công suất truyền động trung áp 20 Hình 3: Sản phẩm SIMOVERT MV Siemens 22 Hình 4: Sơ đồ nguyên lý Simovert MV 23 Hình 5: Module HV IGBT 23 Hình 6: Điện áp dịng điện đầu Simovert MV 6kV 6.6 kV với lọc IHV 24 Hình 7: Dura Bilt5 MV series 24 Hình 8: Sơ đồ nguyên lý biến tần Dura Bilt5 MV series 25 Hình 9: Bộ ACS 6000 Series ABB 26 Hình 10: Sơ đồ nguyên lý ACS 6000 26 Hình 11: Bộ chỉnh lưu đa xung 27 Hình 12: Bộ chỉnh lưu cầu pha không điều khiển 28 Hình 13: Giản đồ áp dây nguồn AC điện áp DC đầu (red) 28 vi Danh mục hình vẽ & đồ thị Hình 14: Dịng điện nguồn pha a áp nguồn pha a 29 Hình 15: Ảnh hưởng Ls 30 Hình 16: Dịng qua nguồn áp nguồn pha a 30 Hình 17: Áp DC so với áp dây nguồn 30 Hình 18: Dùng tụ DC link để lọc áp tải DC đầu 31 Hình 19: Áp DC đầu 31 Hình 20: Bộ chỉnh lưu 12 xung 32 Hình 21: Ap DC ULL rms =220 V 33 Hình 22: Dòng điện qua nguồn 33 Hình 23: Phổ fourier dòng qua nguồn 34 Hình 24: Bộ nghịch lưu điôt kẹp mức 36 Hình 25: Trạng thái, điện áp điều khiển chuyển mạch điện áp 37 Hình 26: Điện áp pha điện áp dây nghịch lưu 3L-NPC 38 Hình 27: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P với dịng điện tải i A > 38 Hình 28: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P với dòng điện tải i A < 39 Hình 1: Sóng mang dạng PD 42 Hình 2: Sóng mang dạng APOD 42 Hình 3: Sóng điều khiển U sóng mang PD 44 Hình 4: Điện áp Pha – tâm nguồn DC VAO 44 Hình 5: Điện áp tải pha a 44 Hình 6: Phổ Fourier áp tải pha a 45 Hình 7:Tín hiệu V offset 46 Hình 8: Tín hiệu điều chế pha a U với biên độ = 0.693 46 Hình 9: Tín hiệu điều chế sin với A m =0.8 47 Hình 10: Điện áp tải pha a 47 Hình 11: Phổ fourier áp tải pha a 47 Hình 12: Bộ nghịch lưu áp mức NPC 49 Hình 13: Vectơ khơng gian điện áp nghịch lưu mức NPC 51 Hình 14: Điều chế vector khơng gian 52 Hình 15: Vectơ điện áp vùng I (sector I) 53 vii Danh mục hình vẽ & đồ thị  Hình 16: Ảnh hưởng đến V z tương ứng với trạng thái vectơ V [PPP] 55  Hình 17: Ảnh hưởng đến V z tương ứng với trạng thái vectơ V1 55  Hình 18: Ảnh hưởng đến V z tương ứng với trạng thái vectơ V 56  Hình 19: Ảnh hưởng đến V z tương ứng với trạng thái vectơ V13 56  Hình 20: Trường hợp V ref thuộc tam giác thứ tư vùng I (I-4) 57  Hình 21: Mẫu xung vectơ điện áp trung bình V ref thuộc vùng I-4 58  Hình 22: Trường hợp V ref thuộc tam giác thứ 3a vùng I (I-3a) 59  Hình 23: Hai trình tự khóa bán dẫn V ref thuộc khu vực IV-4 63 Hình 24: Cách sử dụng thay trình tự khóa bán dẫn loại A loại B 64 Hình 1Sơ đồ khối điều chế vectơ không gian 68 Hình 2: Sơ đồ thuật toán điều chế phát xung cho nghịch lưu 68 Hình 3: Mơ hình simulink 69 Hình 4: Khối điều chế vectơ 70 Hình 5: Khâu tạo điện áp pha đối xứng 71 Hình 6: Khâu chuyển hệ trục tọa độ abc=>αβ 71 Hình 7: Khâu xác định vùng góc vector điện áp tham chiếu 71 Hình 8: Khâu chuyển đổi vùng I (sector I) 72 Hình 9: Khâu xác định vị trí tam giác 72 Hình 10: Khâu tính thời gian tác động vùng (sector I) 72 Hình 11: Khâu tính thời gian phát xung cho van 73 Hình 12: Khâu tạo xung điều khiển 74 Hình 13: Cấu trúc mạch lực 75 Hình 14: Đồ thị điện áp pha dây đầu nghịch lưu 76 Hình 15: Phổ tần số điện áp dây 76 Hình 16: Đồ thị dịng điện 77 Hình 17: Phổ tần số dịng điện pha A 77 Hình 18: Phổ tần số điện áp dây dòng điện với m a =0,6 78 Hình 19: Phổ tần số điện áp dây dòng điện với m a =0,8 78 Hình 20: Đồ thị dịng điện động cơng st nhỏ 80 viii