nghiên cứu bộ biến đổi nghịch lưu ba pha tiết kiệm năng lượng

ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP NGƠ MINH HỒNG NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI NGHỊCH LƯU BA PHA TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHUN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HĨA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUN - 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƯỜNG ĐHKT CƠNG NGHIỆP CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI NGHỊCH LƯU BA PHA TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Học viên : Ngơ Minh Hồng Lớp : CH - K13 Chun ngành : Tự động hóa CB hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Nguyễn Như Hiển BAN GIÁM HIỆU KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN PGS.TS. Nguyễn Như Hiển Ngơ Minh Hồng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 1 LỜI CAM ĐOAN Tơi là Ngơ Minh Hồng học viên lớp cao học K13 Tự Động Hố niên khố 2010 -2012. Sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cơ giáo và đặc biệt là PGS.TS Nguyễn Như Hiển, thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tơi, tơi đã đi đến cuối chặng đường để kết thúc khố học thạc sỹ. Tơi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: " Nghiên cứu bộ biến đổi nghịch lưu ba pha tiết kiệm năng lượng ". Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của các nhân tơi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Như Hiển và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt kê. Tơi khơng sao chép cơng trình của các nhân khác dưới bất kỳ hình thức nào. Nếu có tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm. Người cam đoan Ngơ Minh Hồng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 2 MỤC LỤC Trang Lời cam đoan 1 Mục lục 2 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 5 Danh mục các hình vẽ 8 Mở đầu 10 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN BA PHA 12 1.1. Giới thiệu về biến tần sử dụng điện tử cơng suất 12 1.1.1. Biến tần 12 1.1.2. Bộ biến tần trực tiếp 13 1.1.3. Bộ biến tần gián tiếp 17 1.1.3.1. Bộ biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển 18 1.1.3.2. Bộ biến tần dùng chỉnh lưu khơng điều khiển có thêm bộ biến đổi xung áp 19 1.1.3.3. Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu khơng điều khiển với bộ nghịch lưu PMW 20 1.1.3.4. Biến tần điều khiển vector 21 1.2. Biến tần ba pha 23 1.2.1. Giới thiệu chung 23 1.2.2. Biến tần ba pha trực tiếp 23 1.2.3. Biến tần ba pha gian tiếp 25 1.3. Lựa chọn hướng ứng dụng cho hệ thống truyền động sử dụng biến tần ba pha 26 1.3.1. Lựa chọn biến tần 26 1.3.2. Lựa chọn động cơ 28 1.3.3. Lựa chọn phụ tải 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 3 1.3.3.1. Chế độ làm việc của tải 30 1.3.3.2. Các u cầu về truyền động điện 32 1.3.3.3. u cầu về dừng chính xác, tiết kiệm năng lượng và an tồn. 33 1.3.3.4. Tính chọn cơng suất động cơ 35 1.4. Kết luận 38 CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG BIẾN TẦN BA PHA - ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SĨC 40 2.1. Mơ hình tốn học nhiều biến của động cơ khơng đồng bộ ba pha 40 2.1.1. Đặc điểm của mơ hình tốn học trạng thái động của động cơ khơng đồng bộ 40 2.1.2. Mơ hình tốn học nhiều biến của động cơ KĐB ba pha 42 2.1.2.1. Phương trình điện áp 43 2.1.2.2. Phương trình từ thơng 44 2.1.2.3. Phương trình chuyển động 48 2.1.2.4. Phương trình mơ men 48 2.1.2.5. Mơ hình tốn học động cơ khơng đồng bộ ba pha 49 2.2. Giới thiệu về điều khiển tần số động cơ khơng đồng bộ 50 2.2.1. Điều khiển vơ hướng (SFC: Scalar Frequency Control) 51 2.2.2. Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC: Field Oriented Control) 52 2.2.3. Điều khiển trực tiếp mo men (DTC: Direct Toque Control) 57 2.3 Kết luận 58 CHƯƠNG III KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BIẾN TẦN BA PHA – ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ CHO CABIN THANG MÁY 59 3.1. Phân tích hệ truyền động biến tần – Động cơ khơng đồng bộ cho Cabin thang máy 59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 4 3.1.1. Khối mạch lực 59 3.1.2. Khối điều khiển 60 3.2. Các thơng số chủ yếu của hệ truyền động biến tần – ASM 64 3.2.1. Động cơ ASM 64 3.2.2. Số liệu về biến tần 64 3.3. Sơ đồ mơ phỏng và các kết quả 65 3.3.1. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống và sơ đồ minh họa chi tiết: 65 3.3.2. Các kết quả mơ phỏng 71 3.4. Kết luận 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT x(t), x Giá trị tức thời X * , x * Giá trị đặt α Góc pha của vector chuẩn λ Hệ số cơng suất ϕ Góc pha dòng điện ω Vận tốc góc ψ Góc pha ε Góc pha điều khiển cos ϕ Hệ số cơng suất cơ bản f Tần số i(t), i Giá trị dòng điện tức thời j Đơn vị ảo ∆X, ∆x Sai lệch k P , k I Hệ số khuyếch đại, hệ số tích phân p(t), p Cơng suất tác dụng tức thời q(t), q Cơng suất phản kháng tức thời t Giá trị thời gian tức thời v(t), v Giá trị điện áp tức thời ψ L Vector từ thơng ảo ψ Lα Thành phần vector từ thơng ảo trên hệ trục toạ độ α - β ψ Lβ Thành phần vector từ thơng ảo trên hệ trục toạ độ α - β ψ Ld Thành phần vector từ thơng ảo trên hệ trục toạ độ d - q ψ Lq Thành phần vector từ thơng ảo trên hệ trục toạ độ d - q u L Vector điện áp lưới u Lα Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ α - β u Lβ Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ α - β Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 6 u Ld Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q u Lq Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q i L Vector dòng điện lưới i Lα Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ α - β i Lβ Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ α - β i Ld Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d - q i Lq Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d - q u S , u conv Vector điện áp vào bộ chỉnh lưu u Sα Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ α - β u Sβ Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ α - β u Sd Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ d - q u Sq Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ d - q u dc Giá trị điện áp một chiều i dc Giá trị dòng điện một chiều S a ,S b ,S c , Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi C Giá trị tụ điện I Giá trị hiệu dụng của dòng điện L Giá trị điện cảm R Giá trị điện trở S Cơng suất biểu kiến T Chu kỳ P Cơng suất tác dụng Q Cơng suất phản kháng Z Tổng trở kháng 4Q Bốn góc phần tư (viết tắt của Four(4) Quater) DPC Điều khiển trực tiếp cơng suất (viết tắt của D irect Power Control) DTC Điều khiển trực tiếp mơmen (viết tắt của D irect Toque Control) DPF Hệ số cơng suất dịch chuyển (viết tắt của D isplacement Power Factor) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 7 FOC Điều khiển tựa từ trường (viết tắt của Field Oriented Control) PF Hệ số cơng suất (viết tắt của P ower Factor) PWM Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse W idth Modulation) T e Mơmen điện từ VOC Điều khiển tựa theo điện áp lưới (viết tắt của Voltage Oriented C ontrol) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Một số hình ảnh về biến tần 12 Hình 1.2: Sơ đồ khối quy trình điều khiển tốc độ động cơ sử dụng PLC kết nối biến tần 13 Hình 1.3: Thiết bị biến tần trực tiếp 14 Hình 1.4: Sơ đồ ngun lý bộ biến tần trực tiếp 14 Hình 1.5: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều xoay chiều hình sin 15 Hình 1.6: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của các khâu trong biến tần trực tiếp 17 Hình 1.7: Thiết bị biến tần gián tiếp 18 Hình 1.8: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều 19 Hình 1.9: Bộ biến tần điều khiển vector 22 Hình 1.10 : Cấu trúc biến tần ma trận ba pha trực tiếp 24 Hình 1.11: Cấu trúc biến tần ma trận gián tiếp ba pha 25 Hình 1.12 Chế độ làm việc của Cabin thang máy 31 Hình 1.13: Các đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của qng đường S, tốc độ v, gia tốc a và độ dật ρ theo thời gian. 32 Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển nhiều biến của động cơ khơng đồng bộ 41 Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điều tốc biến tần của độngcơ khơng đồng bộ nhiều biến 42 Hình 2.3: Mơ hình vật lý động cơ khơng đồng bộ ba pha 43 Hình 2.4: Cấu trúc điều khiển vơ hướng hệ truyền động biến tần- động cơ khơng đồng bộ 51 Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc biến đổi tọa độ động cơ khơng đồng bộ 54 Hình 2.6: Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ 55 Hình 2.7 : Cấu trúc điều khiển vectơ của hệ truyền động biến tần – động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu 56 Hình 2.8: Sơ đồ khối hệ biến tần động cơ khơng đồng bộ, điều khiển trực tiếp mơmen. 58 Hình 3.12: Sơ đồ ngun lý phần lực truyền động biến tần động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc 59 Hình 3.13: Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC 61 Hình 3.14: Cấu trúc khối điều khiển nghịch lưu của hệ truyền động biến tần – động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc 63 Hình 3-15: Sơ đồ mơ phỏng hệ biến tần 4Q - Động cơ khơng đồng bộ ba pha rotor lồng sóc điều khiển theo VOC - DTC 65 Hình 3-16: Triển khai chi tiết khối PLECS Circuit 66 Hình 3-17: Triển khai chi tiết khối IGBT Converter 66 Hình 3-18: Thơng số động cơ ASM 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ [...]... p, tơi ã ư c giao tài lu n văn t t nghi p là Nghiên c u b bi n ngh ch lưu ba pha ti t ki m năng lư ng” ng bi n t n ba pha - i h c K thu t Cơng ng cơ khơng i i tư ng nghiên c u là h truy n ng b rotor l ng sóc cho ph t i th (Cabin thang máy) Lu n văn g m có 3 chương: Chương I : Gi i thi u v bi n t n ba pha Chương II : Nghiên c u h truy n ng bi n t n ba pha ng cơ khơng ng b rotor l ng sóc Chương III... nh lưu n i song song ngư c như hình 1.4 Các b ch nh lưu này có th là sơ ba pha có i m trung tính, sơ c u ho c các b ch nh lưu nhi u pha S pha c a b ch nh lưu (m) càng l n thì thành ph n sóng i u hòa b c cao càng gi m ~3 U 1 ,f 1 ~3 U 2 ,f 2 T i Hình 1.4 : Sơ ngun lý b bi n t n tr c ti p Ngun lý làm vi c c a b bi n t n như sau: M i m t pha u ra c a b bi n t n tr c ti p song song ngư c hai sơ ch nh lưu. .. xoay chi u hình sin Trên ây ã phân tích tiép), u ra mơt pha bi n t n xoay chi u – xoay chi u ( tr c i v i ph t i ba pha, hai pha khác nhau cũng dùng m ch i n song song ngư c, i n áp trung bình n u m i m t sơ ch nh lưu u ra có góc l ch pha nhau 120 o Như v y, u dùng lo i sơ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu o chi u m c 15 c u ba pha thì b bi n t n ba pha http://www.lrc.tnu.edu.vn/ s c n t ng c ng t i 36... 1.7 V cơ b n có th có ba khâu chính : ch nh lưu, l c và ngh ch lưu Ph thu c vào vi c i u ch nh i n áp u ra mà có th có ba d ng sau : B bi n t n dùng ch nh lưu có i u khi n , b bi n t n dùng ch nh lưu khơng i u khi n nhưng thêm b bi n i xung áp 1 chi u, b bi n t n dùng ch nh lưu khơng i u khi n v i ngh ch lưu th c hi n i u ch r ng xung ( PWM) 1.1.3.1 B bi n t n gián ti p dùng ch nh lưu i u khi n B bi n... m t chi u c p cho kh i ngh ch lưu s d ng b ch nh lưu iơt khơng i u khi n Kh i ngh ch lưu ch có nhi m v bi n i i n áp m t chi u thành xoay chi u v i t n s i u ch nh ư c mà khơng có kh năng i u ch nh i n áp ra c a ngh ch lưu nên gi a kh i ch nh lưu và ngh ch lưu b Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 19 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ trí thêm b bi n i xung i n áp 1 chi u cho ngh ch lưu nh m th c hi n nhi m v chi... khơng t t có th gây ra s c h th ng Bi n t n ba pha b n dây ư c phát tri n trên cơ s ch nh lưu ba pha ba dây kh c ph c nh ng như c i m c a h th ng này khi làm vi c v i ngu n khơng cân b ng, thơng qua vi c trên m ch l c có thêm m t c p van bán d n i u khi n dòng trung tính Nh v y chúng có kh năng làm vi c t t trong i u ki n ngu n khơng cân b ng 1.2.2 Bi n t n ba pha tr c ti p Bi n t n ma tr n ( matrix converter... vào g n b ng m t Bi n t n ma tr n tr c ti p ba pha – b n dây ( TFDMC) ư c ch ra trên hình 1.10 u vào có ba nhánh, u ra có b n nhánh, ba nhánh cho ba pha, m t nhánh cho dây trung tính, c u trúc này áng ng ư c các u c u cho các ph t i c n s d ng dây trung tính Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 23 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Hình 1.10 : C u trúc bi n t n ma tr n ba pha tr c ti p Chuy n m ch là q trình chuy n... nhi u cách: theo s pha ngu n c p cho m ch van (3 pha, 6 pha) , theo lo i van bán d n (ch nh lưu khơng i u khi n, ch nh lưu i u khi n, ch nh lưu bán i u khi n) và phân lo i theo sơ m c van (hình tia, hình c u) B ch nh lưu diode và tiristor ã có l ch s g n năm mươi năm và chúng ư c nh nghĩa như m t thi t b i n t cơng su t c i n, ư c ng d ng r ng rãi nh t trong th c t Ưu i m: Ch nh lưu diode và tiristor... ch nh lưu i u khi n b ng tiristor b Bi n t n dùng ch nh lưu khơng i u khi n có thêm b bi n i xung áp c Bi n t n dùng ch nh lưu khơng i u khi n v i ngh ch lưu i u ch PWM 1.1.3.2 B bi n t n dùng ch nh lưu khơng i u khi n có thêm b bi n i xung áp B bi n t n xoay chi u gián ti p dùng b ch nh lưu khơng i u khi n k t h p v i bi n i xung i n áp m t chi u i u ch nh i n áp m t chi u u vào kh i ngh ch lưu ư... lư ng i n năng - Gây ra h s cơng su t th p - Các b ch nh lưu dùng diode và thyristor ch d n năng lư ng theo m t chi u d n năng lư ng khơng th tr n khó trao i năng lư ng gi a ư c tr v lư i t ng cơ và lư i Vì v y, ng cơ mà b tiêu hao trên các i n ư c i u khi n b i các ng t i n n i d c theo m ch m t chi u Phương pháp c i ti n v n này là dùng hãm d p năng lư ng m ch m t chi u ho c dùng b ch nh lưu làm vi . luận văn tốt nghiệp là Nghiên cứu bộ biến đổi nghịch lưu ba pha tiết kiệm năng lượng . Đối tượng nghiên cứu là hệ truyền động biến tần ba pha - động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc cho phụ. định chọn đề tài tốt nghiệp là: " Nghiên cứu bộ biến đổi nghịch lưu ba pha tiết kiệm năng lượng ". Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của các nhân tơi dưới sự hướng dẫn. chỉnh lưu điều khiển 18 1.1.3.2. Bộ biến tần dùng chỉnh lưu khơng điều khiển có thêm bộ biến đổi xung áp 19 1.1.3.3. Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu khơng điều khiển với bộ nghịch lưu PMW