Luận văn kỹ thuật điều khiển bộ biến tần đơn giản

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN ĐƠN GIẢN SVTT :HOÀNG QUỐC PHÚ MSSV :40201936 GVHD : TS. NGUYỄN VĂN NHỜ BỘ MÔN :CUNG CẤP ĐIỆN TP HỒ CHÍ MINH ,THÁNG 1/2007 1 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: 2 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN: 3 LỜI CẢM ƠN Trong suốt bốn hơn bốn năm dưới sự dạy dỗ của các thầy cô của trường đại học Bách khoa cùng với sự nổ lực không ngừng của bản thân. Hôm nay em đã hoàn thành luân văn tốt nghiệp. Đây là đề tài hoàn chỉnh đầu tiên của em cũng là bước cuối cùng chuẩn bò ra trường . Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô trường Đại học Bách khoa đã bao năm tận tình giảng dạy truyền đạt cho em những kiến thức, những kinh nghiệm quý báu của mình Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện –Điện tử Đặc biệt là các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật điện đã trực tiếp giảng dạy những kiến thức chên nghành để em hoàn thành Đề tài. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Nguyễn Văn Nhờ đã tận tụy từng bước hướng dẫn cho em giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Xin kính gửi đến cha mẹ và những người thân lòng biết ơn vô hạn vì sự động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện về mọi mặt để cho con đạt được kết quả hôm nay. Chân thành cảm ơn các anh chò bạn bè đã quan tâm, động viên và giúp đỡ rất nhiều để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Một lần nữa xin gửi đến các thầy cô, gia đình và bạn bè lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất. Sinh viên Hoàng Quốc Phú . 4 MỤC LỤC MỤC LỤC 4 CHƯƠNG I 6 GIỚI THIỆU VỀ BỘ BIẾN TẦN ĐƠN GIẢN CHƯƠNG II: 8 ĐẶC ĐIỂM CỦA BỘ BIẾN TẦN ĐƠN GIẢN 1.ĐẶC ĐIỂM CỦA BỘ BIẾN TẦN ĐƠN GIAN BỐN CÔNG TẮC 8 2.MẠCH SỬ DỤNG CHỈNH LƯU HOẶC NGUỒN DC. 12 3.MẠCH CÓ PHA NỐI VỚI ĐIỂM GIỮA HAI TỤ PHÂN ÁP. 14 4.BỘ CHỈNH LƯU LÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN TOÀN PHẦN HOẶC BÁN PHẦN . 18 CHƯƠNG III: 20 ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN BẰNG ĐỘ RỘNG XUNG SIN 1. ĐẶC ĐIỂM PHƯƠNG PHÁP ĐỘ RỘNG XUNG SIN. 20 2-BỘ BIẾN TẦN SỬ DỤNG NGUỒN DC HAY BỘ CHỈNH LƯU HOÀN TOÀN. 21 3- BỘ BIẾN TẦN CÓ PHA NỐI VÀO ĐIỂM GIỮA HAI TỤ PHÂN ÁP 25 CHƯƠNG IV 28 :ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN SỬ DỤNG VÉC TƠ KHÔNG GIAN 1-PHƯƠNG PHÁP VÉC TƠ KHÔNG GIAN 28 2. PHÂN TICH VECTOR TRONG BỘ BIẾN ĐỔI BỐN CÔNG TẮC 30 3.TÍNH TOÁN THỜI GIAN CỦA CÁC TRẠNG THÁI 33 4.MÔ PHỎNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP VECTOR SỬ DỤNG KHỐI DLL 37 4.a) nguồn dc là không đổi 37 4.b ) mạch sư dụng bộ chỉnh lưu. Có pha thứ 3 mắc vào giữa hai tư phân áp. 41 4.c). mạch sử dụng bộ chỉnh lưu 1 pha. 45 4.d)mạch chỉnh lưu 3 pha 48 5 4.e)có gắn thêm đông cơ 50 CHƯƠNG V : 52 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN SỬ DỤNG VECTOR KHONG GIAN KẾT HP SỬ DỤNG SÓNG MANG 1.PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT 52 2-PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN ĐỂ TÌM RA PHƯƠNG PHÁP KÍCH CHO CÔNG TẮC ĐIỀU KHIỂN: 52 3-MÔ PHỎNG VỚI KHỐI DLL LÀM THUẬT TOÁN: 53 a.mô phỏng với nguồn DC tải RL 56 b.Với động cơ không tải 67 c.động cơ có gắn tải 69 4-KẾT LUẬN 71 6 CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU VỀ BỘ BIẾN TẦN ĐƠN GIẢN Trong thời gian gần đây với sự phát triển các loại linh kiện bán dẫn công suất giúp cho các thiết bò điều khiển năng lượng điện được cải tiến mạnh mẽ. Ban đầu với các Diode ,Transistor BJT công suất ,MOSFET , có công suất thấp ,tổn hao lớn thì nay đã tạo ra nhiều các thiết bò bán dẫn có công suất lớn, giảm tổn hao, tốc độ đóng ngắt cao đáp ứng cho điều khiển động cơ đăc biệt là điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha, động cơ brushless DC . Các bộ biến đổi công suất như : Bộ chỉnh lưu , Bộ biến đổi điện áp một chiều , Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ,Bộ nghòch lưu và biến tần. Hiện nay các nhà sản suất chip và vi mạch như Microchip,Texa Intrument đã tạo ra các loại vi điều khiển có tốc độ tính toán cao, Data có dung lượng lớn. Thực tế ngày nay thường dùng bộ biến tần 6 công tắc điều khiển bằng phương pháp véc tơ không gian , và thông dụng nhất là điều khiển V/f có thể hồi tiếp dòng ,vận tốc hoặc không hồi tiếp. Tuy nhiên trong đề tài này chỉ nghiên cứu tìm hiểu về bộ biến tần có 4 công tắc là bộ biến tần ít được nghiên cứu tìm hiểu nên chúng vẫn có những điều chưa được biết đến. Với sự nổ lực của bản thân mong sẽ đưa ra phương pháp điều khiển tốt nhất , ứng dung được vào thực tế. Trong phần này chỉ tìm hiểu về bộ Biến Tần đơn giản ba pha.Bộ biến tần gồm bộ chỉnh lưu và bộ nghòch lưu : Bộ chỉnh lưu. - Bộ chỉnh lưu có nhiệm vu ïbiến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, gồm : chỉnh lưu có điều khiển và chỉnh lưu không điều khiển. Bộ nghòch lưu. -Bộ nghòch lưu có nhiệm vụ biến đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Bộ nghòch lưu điện áp 3 pha hiện tại vẫn sử dụng làbộ nghòch lưu dạng cầu mạch chứa gồm sáu công tắc S1, S2, S3, . . . và sáu Diode mắc đối song dùng cho tải có thể mắc hình sao hay tam giác. Bộ này có thể goi là biến đổi sáu công tắc có thể ứng dụng trong phạm vi công suất vừa và nhỏ.Trong thực tề người ta thường sử dụng 7 bộ biến tần có sáu công tắc . Xem hình 1 Hình 1 Các ưu điểm của bộ biến đổi 4 công tắc so với 6 công tắc: - giảm số công tắc đóng ngắt cho bộ nghòch lưu và có thể cho bộ chỉnh lưu. - Có thể giảm giá thành cho thiết bò điều khiển do giảm số công tắc đóng ngắt. - Giảm thiết bò điều khiển cho các thiết bò đóng ngắt. - Giảm tổn hao trên thiết bò đóng ngắt dẫn đến tăng hiệu suất cho thiết bò. - Có thể hoạt động sự biến đổi tần số rộng. - Tăng công suất điều khiển ở tần số thấp. Các ưu điểm hơn rất rõ nhưng có một số vấn đề cần giải quyết như sau: - Điện áp đầu ra có độ dốc cao - Nhánh c trong bộ biến đổi sẽ có dung kháng nếu thêm tải dung kháng nữa sẽ dẫn đến quá dung. Nên chỉ điều khiển tải là động cơ hoặc tải có cảm kháng lớn . - Điện áp đỉnh của các thiết bò sẽ tăng lên. - Tỉ số điều chế điện áp nhỏ nay là nhược điểm mà khó khắc phục nhất dẫn đến bộ này ít được sử dụng. Trong đề tài nay sẽ đưa ra phương pháp có thể làm cho dòng tải có thể cân bằng nhất. 8 CHƯƠNG II: ĐẶC ĐIỂM CỦA BỘ BIẾN TẦN ĐƠN GIẢN Bộ biến tần thường dùng là bộ biến tần sáu công tắc , ở đây chỉ giới thiệu về bộ biến tần có 4 công t ắc . tuy có nhiều loại nhưng thường chỉ khác nhau về bộ chỉnh lưu còn bộ nghòch lưu chúng có cùng sơ đồ hoạt động. Tuy vậy vẫn phải sử dụng những phương pháp điều khiển khác nhau Sau đây là từng loại sơ đồ. 1.Đặc điểm của bộ biến tần đơn gian bốn công tắc. Bộ gồm 4 công tắc và hai tụ điện đưa ra điện áp 3 pha (hình 2). Ở bộ biến đổi này có thể đóng ngắt không theo quy tắc đối nghòch cũng vẫn hoạt đông được. Vì vậy dù là 4 công tắc nhưng vẫn có đến 8 trang thái đóng ngắt hoạt động được. Nếu trạng thái đóng là (1) trạng thái ngắt là (0) ta có bảng sau: trạng thái S1 S2 S3 S4 1 0 1 0 1 2 0 1 1 0 3 1 0 0 1 4 1 0 1 0 5 1 0 0 0 6 0 1 0 0 7 0 0 1 0 8 0 0 0 1 Bảng 2.1 Hình 2.1 9 Các trạng thái đóng ngắt của bộ nghòch lưu được thể hiện như sau 2.2a 2.2b 2.2c [...]... 5.kết luận: Dòng tải có nhiều sóng hài so với bộ chỉnh lưu hay nguồn dc Tuy nhiê dòng điện được cải thiện hơn về độ lớn 27 CHƯƠNG IV :ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN SỬ DỤNG VÉC TƠ KHÔNG GIAN Việc điều khiển biến tần sử Dụng Độ Rộng Xung Sin (the sin PWM algorithm) hay PWM là phương pháp phổ biến để điều khiển động cơ ba pha hiện nay Tuy nhiên chúng thì hiệu quả không cao ảnh hưởng đến hệ thống điều khiển. .. phương pháp phương pháp điều chế độ rông xung sin cải tiến và phương pháp điều chế độ rông xung tối ưu 21 2 -Bộ biến tần sử dụng nguồn dc hay bộ chỉnh lưu hoàn toàn Bộ biến tần có chỉnh lưu hoàn toàn có áp 1 chiều phẳng dẫn đến dòng tải điều hoà Tuy nhiên dòng tải tạo ra nhỏ do điện áp nhỏ - Tín hiệu vào va , vb , vc - Tín hiệu điều khiển: vdk1, vdk2 tín hiệu sóng mang là bằng 2 đơn vò - Vc1 và Vc2 là... tải R=5 Ω ,l=0.01h tần số 50 hz,sóng mang có tần số 5000hz Hệ số công suất của tải cos ϕ = 0.847 Hình 3.1 22 1 dạng sóng tín hiệu điều khiển Hình 3.2 2 tín hiệu vào so với tín hiệu sóng mang Hình 3.3 23 3.áp tải trên 3_pha Hình 3.4 4.dòng tải trên 3_pha Hình 3.5 5.kết luận: Dòng tải có ít sóng hài và rất cân bằng 3- Bộ biến tần có pha nối vào điểm giữa hai tụ phân áp 24 Bộ biến tần này có áp vào... cho bộ chỉnh lưu Hình 2.6 Hình 2.7 18 4 .bộ chỉnh lưu là bộ điều khiển toàn phần hoặc bán phần Hình 2.8 Hình 2.9 19 CHƯƠNG III: ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN BẰNG ĐỘ RỘNG XUNG SIN 1- đặc điểm phương pháp độ rộng xung sin Đây là phương pháp đã và đang sử dụng rộng rãi trong thực tế với phương pháp này nó có ưu điểm tôt hơn phương pháp sáu bước là giàm sóng hài Về nguyên lý phương pháp này thực hiện dựa vào kỹ. .. không gian đưa vào điều khiển bộ biến tần, và dựa vào vector vs có thể điều khiển được cả tần số và độ lớn điện áp Thực hiện phép biến đổi từ đại lượng Ba Pha sang đại lượng Vector Không Gian (4.3) Vs =K.(Va +aVb + a 2 Vc ) Trong đó : a = e 2π / 3 =-1/2+j 3 / 2 Hằng số Kcó thể chọng các giá trò khác nhau Với K=2/3 ta có phép biến hình không bảo toàn công suất Với k= 3 / 2 ta có phép biến hình bảo toàn... giác để điều khiển Điều khiển với nhiều motor có điện áp và tần số khác nhau Hệ quả là quỷ đạo vector không gian bò biến đổi về pha và về module so với áp tải 3_pha và áp tải dang sin Mặt khác, phưong pháp điều chế độ rông xung dang sin dù tạo ra điện áp pha tải gần với dang sin nhưng chỉ bảo đảm phạm vi điều khiển thành phần điện áp cơ bản của pha tải đến biên độ Vd/2 Ý tưởng của phương pháp điều chế... dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ kích đóng công tắc nghòch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản: - Sóng mang up tần số cao Sóng điều khiển ur (referentce signal) dạng sin Ví dụ công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (ur > up) trong trường hợp ngược lại sóng điềunkhiển nhỏ hơn sóng mang công tắc chẵn được kích đóng Sóng mang up có thể ở dạng tam giác Tần số sóng... có điện áp là 0 nên việc điều khiển dể dàng Tuy nhiên ta vẫn có thể điều khiển với 3 trạng thái đã phân tích.tuy nhiên khi hệ số m quá nhỏ thì sẽ khó điều khiển tạo xung cho điện áp pha 0 Với Vs là điện áp tính toán đầu ra của Bộ Biến Tần FPWM tần số đóng ngắt của xung kích với tần số đóng ngắt rất lớn FPWM >20 kHz Vậy ta có chu kỳ tần số đóng ngắt là thời gian lấy mẩu Ts= 1/FPWM Thời gian lấy mẩu... =Vm[cos(wt) +j.sin(wt)] = Vm e j (wt ) Như vậy trong toạ độ vuông góc α − β ,vector không gian Vs có biên độ Vm quay quanh trục toạ độ với tần số góc là hình vẽ 4.1 29 Hình 4.1 2 phân tich vector trong bộ biến đổi bốn công tắc Khối điều khiển xem hình 2 điều khiỉen bộ biến tần bằng vecto không gian sử dụng PIC18F4431 Hình 4.2 30 Từ hình vẽ ta có thể xác đònh điện áp : vao = Vc1 Vc 2 ( - S1 - S3) + ( 2 –... nhiên ,tần số đóng ngắt cao làm cho tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo ngoài ra ngoài ra các linh kiệnđòi hỏi thời gian đóng ton và ngắt toff nhất đònh Các yếu tố này làm hạn chế việc chọn tần số sóng mang Sóng điều khiển ur mang thông tin về độ lớn trò hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ở ngõ ra Ttrong trường hợp bộ nghòch lưu áp 3_pha, ba sóng điều khiển . CỦA BỘ BIẾN TẦN ĐƠN GIẢN Bộ biến tần thường dùng là bộ biến tần sáu công tắc , ở đây chỉ giới thiệu về bộ biến tần có 4 công t ắc . tuy có nhiều loại nhưng thường chỉ khác nhau về bộ chỉnh. LỤC MỤC LỤC 4 CHƯƠNG I 6 GIỚI THIỆU VỀ BỘ BIẾN TẦN ĐƠN GIẢN CHƯƠNG II: 8 ĐẶC ĐIỂM CỦA BỘ BIẾN TẦN ĐƠN GIẢN 1.ĐẶC ĐIỂM CỦA BỘ BIẾN TẦN ĐƠN GIAN BỐN CÔNG TẮC 8 2.MẠCH SỬ DỤNG CHỈNH. tế. Trong phần này chỉ tìm hiểu về bộ Biến Tần đơn giản ba pha .Bộ biến tần gồm bộ chỉnh lưu và bộ nghòch lưu : Bộ chỉnh lưu. - Bộ chỉnh lưu có nhiệm vu biến đổi dòng điện xoay chiều thành