Nghiên cứu bộ biến đổi công suất Simovert Masterdrives của Siemens

Nghiên cứu bộ biến đổi công suất Simovert Masterdrives của Siemens

LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần khoa học kĩ thuật công nghệ phát triển mạnh mẽ, lĩnh vực Điện – Điện tử khơng nằm ngồi trào lưu Chính khả phát triển mạnh mẽ làm nên trình chuyển biến sâu sắc lý thuyết lẫn thực tiễn đời sống khoa học kĩ thuật công nghệ Điều trước hết phải kể đến đời ngày hồn thiện biến đổi cơng suất Với kích thước nhỏ gọn, tác động nhanh, cao, dễ dàng ghép nối với mạch dùng vi điện tử, vi xử lý máy tính Các hệ truyền động điện tự động ngày thường sử dụng theo nguyên tắc điều khiển mạch vòng nối cấp, mạch điều khiển thích nghi hay nguyên tắc điều khiển vectơ cho động xoay chiều Phần lớn mạch điều khiển dùng biến tầnvới chương trình phần mềm linh hoạt, dễ dàng thay đổi cấu trúc tham số luật điều khiển Vì làm tăng độ tác động nhanh độ xác cao cho hệ truyền động Chính lý mà việc chế tạo chuẩn hóa hệ thống truyền động đại có nhiều đặc tính làm việc khác nhau, dễ dàng đáp ứng theo yêu cầu nhà sản xuất Để giải vấn đề hiểu rõ biến tần em hoàn thành đồ án với đề tài: “Nghiên cứu biến đổi công suất Simovert Masterdrives Siemens” với hướng dẫn thầy giáo – Thạc sĩ Đặng Hồng Hải Nội dung đồ án gồm chương: Chương 1: Tổng quan biến đổi công suất Chương 2: Nghiên cứu biến đổi công suất Simovert MasterDrives Chương 3: Điều khiển động không đồng Chƣơng TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Điện tử công suất công nghệ biến đổi điện từ dạng sang dạng khác phần tử bán dẫn cơng suất đóng vai trị trung tâm Bộ biến đổi điện tử cơng suất gọi biến đổi tĩnh (static converter) để phân biệt với máy điện truyền thống (electric machine) biến đổi điện dựa nguyên tắc biến đổi điện từ trường Theo nghĩa rộng, nhiệm vụ điện tử công suất xử lý điều khiển dòng lượng điện cách cung cấp điện áp dịng điện dạng thích hợp cho tải Tải định thông số điện áp, dòng điện, tần số, số pha ngõ biến đổi Thông thường, điều khiển có hồi dõi ngõ biến đổi cực tiểu hóa sai lệch giá trị thực ngõ giá trị mong muốn (hay giá trị đặt) Trong biến đổi phần tử bán dẫn công suất sử dụng khóa bán dẫn, cịn gọi van bán dẫn, mở dẫn dịng nối tải vào nguồn, khóa khơng cho dịng điện chạy qua Khác với phần tử có tiếp điểm, van bán dẫn thực đóng cắt dịng điện mà khơng gây nên tia lửa điện,khơng bị mài mịn theo thời gian.Tuy đóng ngắt dịng điện lớn phần tử bán dẫn công suất lại điều khiển tín hiệu điện cơng suất nhỏ, tạo mạch điện tử công suất nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ biến đổi phụ thuộc vào cách thức điều khiển van biến đổi Như trình biến đổi lượng thực với hiệu suất cao tổn thất biến đổi tổn thất khóa điện tử, khơng đáng kể so với công suất điện cần biến đổi.Không đạt hiệu suất cao mà biến đổi có khả cung cấp cho phụ tải nguồn lượng với đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng trình điều chỉnh, điều khiển thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp hệ thống tự động tự động hóa Đây đặc tính mà biến đổi có tiếp điểm kiểu điện từ khơng thể có Ứng dụng: Điện tử công suất ứng dụng rộng rãi hầu hết ngành cơng nghiệp đại Có thể kể đến ngành kỹ thuật mà có ứng dụng tiêu biểu biến đổi bán dẫn công suất truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhơm từ quặng mỏ,các q trình điện phân cơng nghiệp hóa chất, nhiều thiết bị công nghiệp dân dụng khác Trong năm gần công nghệ chế tạo phần tử bán dẫn cơng suất có tiến vượt bậc ngày trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo biến dổi ngày nhỏ gọn, nhiều tính sử dụng ngày dễ dàng Phân loại: Ta phân loại hệ thống biến đổi điện tử công suất dựa vào tín hiệu vào xoay chiều hay chiều: Bộ chỉnh lưu (AC – DC) Bộ nghịch lưu (DC – AC) Bộ biến đổi điện xoay chiều (AC – AC) Bộ biến đổi điện chiều (DC – DC) Biến tần 1.2 BỘ CHỈNH LƢU (AC – DC) [1] 1.2.1 Cấu trúc mạch chỉnh lƣu Chỉnh lưu q trình biến đổi lượng dịng điện xoay chiều thành lượng dòng điện chiều Chỉnh lưu thiết bị điện tử công suất sử dụng rộng rãi thực tế Sơ đồ cấu trúc thường gặp mạch chỉnh lưu hình vẽ BA MV LỌC Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu Trong sơ đồ có máy biến áp làm hai nhiệm vụ là: Chuyển từ điện áp quy chuẩn lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu tải Tùy theo tải mà máy biến áp tăng áp giảm áp Biến đổi số pha nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu mạch van Thông thường số pha lớn lưới pha, song mạch van cần số pha 6, 12 … Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện mạch van đòi hỏi số pha lưới điện bỏ máy biến áp Mạch van van bán dẫn mắc với theo cách để tiến hành trình chỉnh lưu Mạch lọc nhằm đẩm bảo điện áp (hoặc dòng điện) chiều cấp cho tải phẳng theo yêu cầu 1.2.2 Phân loại Chỉnh lưu phân loại theo số cách sau đây: a) Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: pha, hai pha, ba pha, pha … b) Phân loại theo mạch van bán dẫn mạch van Hiện chủ yếu dùng hai loại van Diode Tiristor với loại mạch: Mạch van dùng toàn Diode, gọi chỉnh lưu không điều khiển Mạch van dùng toàn Tiristor, gọi chỉnh lưu điều khiển Mạch chỉnh lưu dùng Diode Tiristor, gọi chỉnh lưu bán đièu khiển c) Phân loại theo sơ đồ mắc van Có hai kiểu mắc van: Sơ đồ hình tia: Ở sơ đồ số lượng van số pha nguồn cấp cho mạch van Tất van đấu chung đầu với catôt chung, anôt chung Sơ đồ cầu: Ở sơ đồ số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van Trong nửa số van mắc chung catôt, nửa lại mắc chung anôt 1.3 BỘ NGHỊCH LƢU (DC – AC) [2] 1.3.1 Chức năng, ứng dụng phân loại a) Chức năng: Nghịch lưu thiết bị biến đổi dịng điện chiều thành dịng điện xoay chiều có tần số thay đổi làm việc với phụ tải độc lập Nguồn chiều thông thường điện áp chỉnh lưu, ắcquy nguồn chiều độc lập khác b) Ứng dụng: nghịch lưu sử dụng rộng rãi lĩnh vực cung cấp điện, hệ truyền động xoay chiều, truyền tải điện năng, luyện kim, giao thông … c) Phân loại: - Theo sơ đồ: nghịch lưu pha, nghịch lưu ba pha - Theo trình điện từ xảy nghịch lưu: nghịch lưu áp, nghịch lưu dòng, nghịch lưu cộng hưởng - Theo trình chuyển mạch: + Quá trình chuyển mạch cưỡng bức: linh kiện có khả kích đóng ngắt (MOSFET, JBT, IGBT, GTO) + Quá trình chuyển mạch phụ thuộc: linh kiện kích đóng, q trình ngắt phụ thuộc nguồn tải 1.3.2 Bộ nghịch lƣu áp Cấu tạo bản: - Nguồn điện áp chiều: Có thể ắcquy, pin điện, từ nguồn điện áp xoay chiều chỉnh lưu lọc phẳng - Linh kiện nghịch lưu: Có khả kích đóng ngắt q trình chuyển mạch cưỡng bức, Tiristor trình chuyển mạch phụ thuộc + Công suất nhỏ vừa: sử dụng khóa BJT, MOSFET, IGBT + Cơng suất lớn: IGBT, GTO, Tiristor + chuyển mạch (chuyển mạch cưỡng bức) Tiristor thường trình chuyển mạch phụ thuộc - Diode mắc song song: Tạo thành mạch chỉnh lưu cầu khơng điều khiển có chiều dẫn ngược lại, cho phép trao đổi công suất ảo tải xoay chiều với nguồn chiều hạn chế áp kích ngắt linh kiện (chức bảo vệ linh kiện) - Điện áp giữ khơng đổi thay đổi tần số cố định thay đổi - Điện áp lý tưởng nghịch lưu phải có dạng sin Tuy nhiên dạng sóng nghịch lưu thực tế khơng có dạng sin chuẩn (do linh kiện nghịch lưu khóa làm việc chế độ đóng cắt) chứa sóng hài bậc cao Các dạng sóng hài gây nhiễu dạng lan truyền cáp dẫn dạng tia xạ sóng điện từ, gây ảnh hưởng không tốt đến tải, nguồn mạng viễn thơng Vì biện pháp sử dụng để chống nhiễu cần thiết: lọc nguồn, thiết bị nghịch lưu đặt tủ kim loại, sử dụng cáp bọc Nghịch lƣu áp pha Trên hình vẽ 1.2 trình bày sơ đồ nghịch lưu điện áp pha Hình 1.2 Bộ nghịch lưu điện áp pha Các tiristor T1 – T4 nối theo sơ đồ cầu điều khiển cặp (T1, T4 T2, T3) Các tụ điện C1, C2 làm nhiệm vụ chuyển mạch Ví dụ T1, T4 mở cho dòng điện chạy qua tụ điện C1, C2 nạp tới giá trị điện áp nguồn Khi mở T2, T3 C1 phóng điện qua T1, T2 cịn C2 phóng qua T3, T4 Như dòng qua T1, T4 giảm tới không, tiristor bị ngắt Các diode D1 – D4 ngăn tụ chuyển mạch với tải để loại trừ ảnh hưởng tụ lên tải Các diode D5 – D8 tạo thành cầu ngược cho dịng phản kháng qua tụ C0 Ví dụ: Nếu trước T1 – T4 mở, dòng tải chạy theo chiều mũi tên (trên hình vẽ) cho xung mở T2 – T3 dòng tải tác dụng sức điện động tự cảm mạch tải, đổi chiều đột ngột mà giữ chiều cũ khoảng thời gian t2 đến t3 Trong khoảng thời gian t2, t3 dòng chạy qua D6 – C0 – D7 Các điện kháng L1, L2 dùng để hạn chế dịng điện phóng C1, C2 khơng qua tiristor cần khóa (vì C1 cịn phóng điện mạch D1 – D5 – L1 – T2, C2 mạch T3 – L2 – D8 – D4) Nếu L1, L2 dịng điện phóng theo mạch vừa nói lớn q trình chuyển mạch gặp khó khăn Điện áp tải có dạng chữ nhật hình vẽ: Hình 1.3 Đặc tính điện áp Để tìm biểu thức it(t) qua tải dùng phương pháp biến đổi Laplace biến đổi ngược Khi mở T1, tác động cuộn sơ cấp biến áp (như biến áp tự ngẫu) nên tụ C nạp tới điện áp gần 2E Khi mở T2, tiristor T1 bị ngắt điện tụ điện C Ở hệ thống (hình a) tụ nạp chuyển đổi cộng hưởng mạch C – T2 – L – D1 tới điện áp 2E với dấu âm Áp tụ vượt giá trị 2E có cộng hưởng mạch tải có phóng ngược tụ qua diode tương ứng nguồn nạp Thời gian để ngắt tiristor 1/4 chu kỳ dao động riêng mạch L – C Xung dòng điện chuyển nạp cộng hưởng tụ điện có biên độ tương đối lớn, điều ảnh hưởng tới việc xuất tổn hao phụ phần tử chuyển mạch Để giảm tổn hao người ta sử dụng sơ đồ có biến áp tự ngẫu Nếu diode D1, D2 nối vào đầu cuộn sơ cấp biến áp mạch chuyển nạp tụ điện nối tới đầu tận cuộn sơ cấp Trong trường hợp lượng phản kháng tích tụ L đoạn cuối trình chuyển mạch khơng bị dồn ứ mạch để tự tiêu hao biến đổi mà gửi nguồn qua diode phần cuộn dây thích hợp Hệ thống cho phép đưa trả phần lượng phản kháng nguồn Dạng điện áp sóng chữ nhật, việc sử dụng điện áp chữ nhật nhiều trường hợp gây hậu xấu thực tế người ta đưa thêm phin lọc (filter) để đường cong điện áp có dạng gần hình sin 1.3.3 Bộ nghịch lƣu dòng Nghịch lưu dòng thiết bị biến đổi nguồn dòng chiều thành dòng xoay chiều có tần số tùy ý Nghịch lưu dịng có đặc điểm sau đây: - Dịng gồm dòng tải dòng chuyển mạch tiristor tụ điện có dạng chữ nhật, cịn điện áp phụ thuộc vào thông số tải - Nguồn điện cung cấp làm việc nguồn dịng phải mắc nối tiếp với cuộn kháng lớn - Khi tải có tính cảm kháng, cân cơng suất kháng thực tụ điện chuyển mạch tải tổng hợp thiết phải có đặc tính dung kháng - Đặc tính tải có dạng đường thẳng nghiêng 1.4 BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU (DC – DC) [1] 1.4.1 Khái quát chung biến đổi điện áp chiều Bộ biến đổi điện áp chiều hay gọi đầy đủ biến đổi xung điện áp chiều, sử dụng ngắt điện bán dẫn sơ đồ thích hợp để biến đổi áp nguồn chiều thành chuỗi xung áp, nhờ thay đổi giá trị trung bình áp Vì biến đổi điện áp chiều gọi băm điện áp Để đóng cắt điện áp nguồn người ta thường dùng khóa điện tử cơng suất chúng có đặc tính tương ứng với khóa lý tưởng, tức khóa dẫn điện (đóng) điện trở khơng đáng kể; cịn khóa bị ngắt (mở ra) điện trở lớn vơ (điện áp tải không) Nguyên lý biến đổi điện áp chiều mô tả hình 1.4 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý đồ thị biến đổi xung áp Trong khoảng thời gian ÷ t1, khóa K đóng lại, điện áp tải UR có giá trị điện áp nguồn (UR = E); khoảng thời gian t1 ÷ T, khóa K mở UR = Như giá trị trung bình điện áp tải là: UR = λ – thời gian khóa K đóng; γ – hệ số điều chỉnh; T – chu kỳ đóng cắt khóa K; 10 nghĩa với điều chỉnh tỉ số Es/ωs không đổi Nếu mạch từ động khơng bão hịa Lm số, từ thông khe hở tỉ lệ với dịng từ hóa Trong thực tế dịng điện từ hóa trì trị số định mức (tương ứng với điện áp, tần số định mức phụ tải định mức) Ở chế độ non tải, dòng điện từ hóa có giá trị lớn tương đối so với giá trị chế độ làm việc bình thường động Theo sơ đồ thay hình T, dịng điện rơto động Ir xác định theo biểu thức: với Xrσ = ωs.Lrσ – điện kháng tản mạch rơto quy đổi stato Phương trình 3.3 viết lại dạng sau: Biểu thức (3.4) cho thấy điều khiển từ thông khe hở không đổi, tức tỉ số Es/ωs khơng đổi, dịng điện rơto hàm tốc độ trượt ωsl không phụ thuộc vào tần số nguồn cung cấp b) Điều khiển từ thông khe hở điều khiển điện áp – tần số Với phương pháp điều khiển điện áp – tần số, động làm việc hai vùng tốc độ: vùng tốc độ +) Vùng tốc độ Khi làm việc với từ thông khe hở không đổi, động sinh momen định mức Do vùng làm việc tốc độ gọi vùng momen số Trong vùng làm việc tần số trượt f2 số ứng với phụ tải định mức Tổn hao công suất điện trở rôto số Tuy nhiên, điều kiện làm việc thực tế vùng tốc độ thấp, động tự làm mát mức độ làm mát đi, động làm việc với phụ tải định mức nên momen động giảm 59 +) Vùng tốc độ bản: Tăng tần số nguồn điện stato lớn định mức, tốc độ động tăng lớn định mức, điện áp động trì giá trị định mức Do tỉ số Us/fs giảm dần đến từ thông khe hở Ф giảm Momen động tỉ lệ nghịch với bình phương tần số stato động cơ: Dịng điện rơto tỉ lệ với độ trượt: Tương tự vùng làm việc tốc độ bản, dịng điện rơto động có trị số giới hạn dịng điện định mức theo (3.6) ta có: Tốc độ rơto động tăng tỉ lệ với tần số: (3.8) Do điện áp đặt vào động số, tỉ số fr/fs số nên giá trị momen lớn động vùng làm việc tốc độ biểu diễn theo tần số momen định mứctheo biểu thức: Từ (3.7) ta thấy momen động lớn tỉ lệ nghịch tần số đường nét đứt hình 3.8, cơng suất lớn khơng đổi cơng suất định mức Vì vùng điều chỉnh tốc độ gọi vùng cơng suất khơng đổi Như minh họa hình 3.8, giới hạn tốc độ động vùng công suất không đổi ứng với điểm tần số rôto đạt đến điểm tới hạn momen động tương ứng với momen tới hạn Trong thực tế, thông thường phải hạn chế tần số rôto giới hạn nhỏ trị số ứng với điểm tới hạn 60 động làm việc gần điểm tới hạn, dịng điện động tăng tổn hao đồng lớn momen không tăng Đồng thời, tốc độ cao, từ thông khe hở giảm, dịng từ hóa nhỏ Khi trì dịng điện stato gần định mức, dịng điện rơto lớn định mức Do động sinh momen công suất lớn giá trị định mức Mặt khác, dịng điện từ hóa giảm nên tổn hao công suất giảm điều kiện làm mát tốc độ cao cải thiện tốt Hình 3.8 Đặc tính +) Sơ đồ khối hệ thống điều khiển điện áp – tần số Hình 3.9 sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín điện áp – tần số với điều khiển tần số độ trượt hạn chế momen 61 Hình 3.9 Hệ thống điều khiển điện áp – tần số với điều khiển tần số trượt Sai số tốc độ đặt ωrđ tốc độ thực đặt vào điều chỉnh tốc độ có cấu trúc PI, đầu điều chỉnh tốc độ tín hiệu tốc độ trượt ωsl* Tín hiệu tốc độ trượt ωsl* cộng với tín hiệu phản hồi tốc độ từ máy phát tốc tạo tín hiệu đặt tần số góc stato ωsđ (hoặc tần số stato fs*) tín hiệu điều khiển tần số chuyển mạch nghịch lưu Đồng thời tín hiệu đặt điện áp stato Us* tạo nhờ khâu “tạo hàm” Khâu tạo hàm thực tính hàm số Us (fs) đảm bảo từ thông khe hở không đổi Do độ trượt tỉ lệ với momen động nên sơ đồ coi mạch vịng điều chỉnh momen bên mạch vịng tốc độ Khi tín hiệu đặt tốc độ thay đổi nhảy cấp đầu điều chỉnh tốc độ hạn chế giá trị tương ứng với tần số trượt lớn nhất, dòng điện momen động hạn chế mức cho phép trình gia tốc Động gia tốc nhanh lên tốc độ đặt, tần số trượt giảm xuống tới giá trị tương ứng với momen phụ tải Khi tín hiệu đặt tốc độ giảm nhảy cấp, tín hiệu tần số 62 trượt đầu điều chỉnh tốc độ mang dấu ( - ), động làm việc chế độ hãm, lượng tái sinh tiêu tán điện trở hãm mạch chiều hay trở lưới điện nhờ chỉnh lưu điều khiển ngược 3.1.1.3 Điều khiển từ thơng khe hở điều khiển dịng điện – tần số trƣợt Sơ đồ hệ thống điều khiển dòng điện – tần số trượt: sơ đồ thực tế sử dụng nghịch lưu dịng điện trình bày hình vẽ Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển dòng điện – tần số trượt Hệ thống gồm mạch vòng điều chỉnh dòng điện tốc độ Mạch vịng điều chỉhn tốc độ mạch tạo tín hiệu tần số stato tương tự sơ đồ điều khiển điện áp – tần số với đầu tín hiệu tốc độ trượt ωsld Dịng điện đặt Iđ mạch vịng điều chỉnh dịng điện tính từ khối tạo hàm đảm bảo 63 trì từ thơng khe hở không đổi Với điều khiển từ thông khe hở định mức, nâng cao độ ổn định phản ứng trình độ hệ thống truyền động điện Ở chế độ làm việc độ trượt động khơng, momen động khơng, dịng điện stato động có trị số nhỏ đủ để tạo từ thông khe hở độ trượt tăng, dịng điện Id tăng để trì từ thơng khe hở không đổi, tương đương với điều khiển điện áp – tần số khơng đổi Đặc tính Is (ωsl) đối xứng qua trục tung, hệ thống truyền động điện có khả làm việc bốn góc phần tư Một dạng khác sơ đồ điều khiển từ thông khe hở thông qua điều khiển tần số - tần số trượt trình bày hình 3.12 Hình 3.12 Hệ thống truyền động điện điều khiển độ trượt sử dụng nghịch lưu dòng điện 64 Sơ đồ gồm hai mạch vòng điều khiển kinh điển: mạch vòng điều chỉnh tốc độ dòng điện Bộ điều chỉnh dịng điện có chức điều khiển dịng điện mạch chiều Id thông qua chỉnh lưu điều khiển Tín hiệu đặt mạch vịng dịng điện Idđ đầu mạch vòng điều chỉnh tốc độ Tín hiệu đặt độ trượt ωsld tính từ dịng điện mạch chiều nhờ khâu tạo hàm Tín hiệu điều khiển tần số stato tạo cách cộng hai tín hiệu tốc độ trượt ωsld tốc độ động ωr Như từ thông khe hở điều khiển gián tiếp giá trị định mức cách thay đổi tần số trượt hàm dòng điện chiều chỉnh lưu Id Khi động làm việc không tải, ωsld xấp xỉ khơng, dịng điện chiều có trị số tối thiểu tương ứng với dịng điện từ hóa động Giá trị nhỏ dòng điện cần thiết cho điều kiện chuyển mạch nghịch lưu dòng điện Biến tần nghịch lưu dịng điện có ưu việt so với nghịch lưu điện áp khả hãm tái sinh Chế độ hãm tái sinh sơ đồ hình 3.12 xảy tốc độ trượt âm thực nhờ khâu “cảm biến dấu” Khâu “cảm biến dấu” phát thay đổi dấu sai lệch tốc độ làm thay đổi dấu ωsl* dịng điện Idđ ln ln khơng thay đổi dấu Trong chế độ hãm tái sinh, tốc độ trượt có trị số lớn giá trị tới hạn, động giảm tốc độ với momen hãm lớn Khi đảo thứ tự phát xung (chuyển mạch) nghịch lưu, động đảo chiều hệ truyền động điện làm việc bốn góc phần tư Tương tự sơ đồ điều khiển điện áp – tần số, khâu tạo hàm Id (ωsl) ωsl (Id) tính sẵn dựa vào thông số động mạch phần ứng tương tự thiết bị tính vi xử lý Quan hệ Id (ωsl) phụ thuộc vào tham số điện trở điện cảm động Trong trình làm việc, điện trở thay đổi theo nhiệt độ, điện cảm thay đổi theo độ lớn dòng điện mạch từ bão hịa cục phân 65 bố từ thơng tản Do khó trì từ thơng khe hở khơng đổi Khi hàm số Id (ωsl) tính sẵn theo thông số định mức động 3.1.1.4 Điều khiển momen Hệ thống điều khiển momen từ thông Trên hình 3.14 sơ đồ khối hệ thống truyền động điện biến tần nguồn áp dạng PWM điều khiển tốc độ với điều khiển độc lập momen từ thông Hệ thống gồm hai kênh điều khiển độc lập: từ thông khe hở momen động Kênh điều khiển từ thơng tạo tín hiệu đặt biên độ điện áp stato Usd Kênh điều khiển momen gồm hai mạch vịng điều chỉnh tốc độ momen tạo tín hiệu đặt tần số stato Mạch vòng điều chỉnh momen bên mạch vòng điều chỉnh tốc độ làm cho phản ứng mạch vòng điều chỉnh tốc độ nhanh ổn định Hình 3.14 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển momen Từ hai tín hiệu đặt biên độ dòng điện số, khối phát sóng hình sin tạo ba tín hiệu đặt dòng điện xoay chiều ba pha đối xứng Dòng điện ba pha đo nhờ cảm biến dòng điện đưa phản hồi cho ba mạch 66 vòng điều chỉnh dòng điện xoay chiều với điều chỉnh dịng có dạng trễ Các tín hiệu đầu điều chỉnh dịng điện tín hiệu điều biến mạch nghịch lưu dòng điện PWM 3.1.1.5 Điều khiển độ trƣợt Nguyên lý điều chỉnh Khi động làm việc với độ trượt nhỏ độ trượt tới hạn, hệ số công suất cosφ hiệu suất cao Ngược lại độ trượt động lớn độ trượt tới hạn, hệ số công suất hệ số momen/dòng điện thấp Trạng thái làm việc với độ trượt lớn xảy động khởi động trực tiếp với điện áp định mức, dòng điện động gấp – lần định mức, momen khởi động nhỏ định mức Ở hệ thống điều khiển tần số, luật điều khiển tần số phải đảm bảo cho động làm việc với độ trượt nhỏ Như động làm việc ổn định với hệ số công suất tỉ số momen/dòng điện lớn giảm nhỏ tối đa dịng điện cho nghịch lưu Có hai phương pháp điều khiển độ trượt: điều khiển trực tiếp điều khiển gián tiếp Ở phương pháp điều khiển gián tiếp, độ trượt điều khiển thơng qua điều khiển dịng điện stato từ thông khe hở Phương pháp u cầu phải có cảm biến từ thơng loại cảm biến khó chế tạo giá thành đắt, khả ứng dụng thực tế bị hạn chế Phương pháp điều khiển trực tiếp tỏ ưu việt phương pháp điều khiển gián tiếp độ xác cao Ở hệ thống điều khiển trực tiếp, phản hồi tốc độ thực từ máy phát tốc độ Nội dung phương pháp điều khiển độ trượt tốc độ góc nguồn điện stato tính từ tốc độ trượt tốc độ rơto động cơ, tốc độ trượt điều chỉnh: ωs = ωsd + ωr ωs, ωsd, ωr tương ứng tốc độ từ trường quay, tốc độ trượt tốc độ rôto động tính theo đại lượng điện (rad/s) 67 Hoặc tần số nguồn điện stato tính theo: fs = fsl + pn/60 (3.10) với n tốc độ quay động (vịng/phút) Cơng thức (3.10) cho thấy hệ thống điều khiển xây dựng với tín hiệu đặt tần số trượt fsl (hoặc tốc độ trượt ωsl), tốc độ phản hồi pn/60 lấy từ máy phát tốc tần số chuyển mạch nghịch lưu fsd (hoặc ωs) tổng tần số trượt thành phần tỉ lệ tốc độ động Sơ đồ khối hệ thống điều khiển trực tiếp độ trượt trình bày hình vẽ 3.18 Hình 3.18 Sơ đồ điều khiển độ trượt tín hiệu đặt độ trượt ωsld cộng với tốc độ động tạo tín hiệu đặt tần số góc stato ωsd Sơ đồ hệ thống điều khiển hồn chỉnh với hai mạch vịng điều chỉnh tốc độ dịng điện tham khảo giáo trình truyền động điện Do tốc độ quay động lớn, nên để đạt độ xác cao, cần sử dụng máy phát tốc có độ xác cao máy phát tốc kiểu xung Khi ωsld âm, tốc độ góc ωsd nhỏ ωr lượng ωsld, động không đồng làm việc với độ trượt làm việc trạngt hái hãm tái sinh trả lượng biến đổi công suất Với biến tần nguồn dòng biến tần trực tiếp, động tích lũy hệ thống tái sinh trả lưới điện Ở biến 68 tần có chỉnh lưu khơng điều khiển, lượng dư thừa tiêu tán điện trở hãm nối mạch chiều Trị số độ trượt lớn hạn chế cho động làm việc với độ trượt nhỏ trị số tới hạn trạng thái động máy phát Như chế độ làm việc ổn định động gần điểm tới hạn để động đạt tỉ số momen ampe lớn đặc tính động tốt tốc độ thay đổi tức thời 3.1.2 Điều khiển vectơ động không đồng [4] Động không đồng sử dụng hàng trăm năm So với động điện chiều, động không đồng có nhiều ưu điểm mặt cấu tạo, giá thành, độ tin cậy, tốc độ cực đại … Tuy nhiên việc điều khiển động không đồng phức tạp nhiều ta so sánh với việc điều khiển động điện chiều Mơ hình động tổng quát động không đồng phương trình khơng gian trạng thái bậc sáu, đầu vào stato điện áp tần số, đầu tốc độ quay rơto, vị trí rơto, momen điện từ, từ thơng móc vịng stato hay rơto, từ thơng từ hóa, dịng stato, dịng rơto … Tương tự động đồng bộ, người ta sử dụng phương pháp điều khiển vectơ để điều khiển động không đồng Chúng ta biết sử dụng hệ trục tọa độ gắn với vectơ không gian từ thông từ hóa, từ thơng stato hay từ thơng rơto biểu thức xác định momen điện từ tương tự biểu thức xác định momen điện từ động điện chiều kích từ độc lập Như momen điện từ điền khiển cách điều khiển riêng rẽ hai thành phần: thành phần tạo từ thơng thành phần tạo momen dịng điện stato Điều khiển vectơ thực với hệ thống động không đồng - biến tần nguồn áp động không đồng - biến tần nguồn dịng lẫn động khơng đồng - biến tần trực tiếp Bằng phương pháp điều khiển vectơ xây dựng hệ thống truyền động điện có chất lượng điều khiển cao bốn góc phần tư 69 Các phương pháp điều khiển vectơ động không đồng bộ: - Điều khiển vectơ động không đồng tựa theo từ thơng rơto Mục đích điều khiển vectơ tựa theo từ thông roto điều khiển độc lập hai thành phần: thành phần tạo từ thông roto thành phần tạo mô men Bộ biến đổi sử dụng phương pháp điều khiển biến tần áp, nguồn dòng, biến tần trực tiếp nối tầng - Điều khiển vectơ động không đồng tựa theo từ thông stato - Điều khiển vectơ động khơng đồng tựa theo từ thơng từ hóa 3.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT SIMOVERT MASTERDRIVES Hệ thống biến đổi biến đổi công suất Simovert MasterDrives hình 3.19 3.20 (phụ lục) bao gồm điều khiển có phản hồi tốc độ điều khiển khơng có phản hồi tốc độ Hệ thống điều khiển phần bao gồm hai mạch vịng, mạch vịng dịng điện bên mạch vịng tốc độ bên ngồi Mạch vịng dòng điện xây dựng hệ dq, với hai kênh độc lập, kênh d điều khiển từ thông, kênh q điều khiển mô men, kênh sử dụng điểu khiển tỷ lệ tích phân PI, với tham số chỉnh định từ người vận hành điều khiển tự tính tốn chế độ đặc biệt Tín hiệu đặt cho kênh điều khiển q lấy từ tín hiệu điều khiển tốc độ Bộ điều khiển tốc độ biến đổi tỷ lệ tích phân PI, tham số PI đặt người vận hành tính tốn điều khiển chế độ đặc biệt Hệ thống điều khiển hoạt động chế độ có phản hồi tốc độ khơng có phản hồi tốc độ Các thiết bị sử dụng để phản hồi tốc độ Encoder kênh, hai kênh, có khơng phát chiều quay, máy phát tốc Khi không sử dụng thiết bị phản hồi tốc độ điều khiển tự tính tốc độ quay động thông qua khâu nhận 70 dạng tốc độ Ngoài điều khiển biến đổi cịn có khâu điều khiển giới hạn mô men 71 KẾT LUẬN Trong thời gian tháng thực làm tốt nghiệp em hoàn thành đề tài : “Nghiên cứu biến đổi công suất Simovert Masterdrives Siemens” với công việc sau: Tìm hiểu, nghiên cứu biến đổi cơng suất Tìm hiểu, nghiên cứu biến tần Simovert Masterdrives Siemens Một số ứng dụng biến tần dùng điều khiển truyền động điện cung cấp điện Các phương pháp điều khiển động không đồng Trong thời gian thực nghiên cứu tiến hành làm đồ án, hướng dẫn nhiệt tình tận tụy thầy giáo – Thạc sĩ Đặng Hồng Hải em hoàn thành nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp Đây đề tài mang tính chất ứng dụng khoa học kỹ thuật, việc khảo sát nghiên cứu đối tượng phải tỉ mỉ, xác Tuy nhiên khối lượng công việc lớn, vốn kiến thức thực tế chưa sâu, việc trình bày đồ án khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em kính mong bảo, giúp đỡ thầy để em hiểu rõ vấn đề nghiên cứu mình, tiếp cận tốt với thực tế ngày nắm kĩ chuyên môn Cuối em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn: Điện tự động công nghiệp trường Đại học dân lập Hải Phòng, đặc biệt thầy giáo – Thạc sĩ Đặng Hồng Hải nhiệt tình tận tụy giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn Hải Phòng, ngày … tháng … năm 2010 Sinh viên thực Nguyễn Tiến Lực 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh (2006), Điện tử công suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [2] GS TSKH Thân Ngọc Hoàn, TS Nguyễn Tiến Ban (2007), Điều khiển tự động hệ thống truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [3] Nguyễn Phùng Quang (2008), Truyền động điện thông minh, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [4] Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến, Đoàn Quang Vinh (2006), Điều khiển động xoay chiều cấp từ biến tần bán dẫn, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 73 ... CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Điện tử công suất công nghệ biến đổi điện từ dạng sang dạng khác phần tử bán dẫn cơng suất đóng vai trị trung tâm Bộ biến đổi điện tử cơng suất cịn gọi biến. .. thay đổi tần số f2 khó khăn phụ thuộc vào f1 Biến tần sử dụng với phạm vi điều chỉnh f2 < f1 21 Chƣơng NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT SIMOVERT MASTERDRIVES 2.1 TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI SIMOVERT. .. SIMOVERT MASTERDRIVES Bộ biến đổi công suất SIMOVERT MASTERDRIVES biến đổi gián tiếp, có sơ đồ khối hình vẽ 2.1 Chỉnh lưu Nghịch lưu Lọc M Hình 2.1 Sơ đồ khối biến đổi Theo sơ đồ biến đổi chia