NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI XOAY CHIỀU – MỘT CHIỀU BỐN GÓC PHẦN TƢ

NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI XOAY CHIỀU – MỘT CHIỀU BỐN GÓC PHẦN TƯ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH

08/2009

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH NHƯỢC ĐIỂM TRUYỀN ĐỘNG T – Đ ĐẢO CHIỀU 8

1.1 Giới thiệu về hệ truyền động Thiristo – Động cơ một chiều (T-Đ) 8

1.1.1 Chế độ dòng liên tục 9

1.1.2 Hiện tượng chuyển mạch 11

1.1.3 Chế độ dòng điện gián đoạn 13

1.2 Phân tích sóng hài bậc cao 16

1.3 Dòng điện gián đoạn 19

1.4 Quá trình đảo chiều ở hệ T- Đ 21

1.4.1 Mạch lực 21

1.4.2 Phân tích đảo chiều 22

1.5 Kết luận 27

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CỦA CHỈNH LƯU BIẾN ĐIỆU ĐỘ RỘNG XUNG 28

2.1 Đặt vấn đề 28

2.2 Cấu trúc mạch lực FQR (Three- phase Four- quadrant PWM rectifier) 28

2.2.1 Bộ lọc đầu vào: 29

2.2.2 Bộ biến đổi 30

2.3 Điều chế vector không gian 30

2.3.1 Khái niệm vector không gian và vector chuẩn 30

2.3.2 Xây dựng phương pháp điều chế vector không gian 33

2.3.2.1 Xác định vector biên chuẩn 33

2.3.2.2 Xác định vector iref thuộc sector nào 34

2.3.2.3 Xác định tỉ số điều biến d1 , d 2 36

2.3.2.4 Xác định mẫu xung cho từng sector 38

2.4 Kết luận 46

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CHỈNH LƯU PWM CHO TRUYỀN ĐỘNG ĐẢO CHIỀU

ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 47

3.1 Đặt vấn đề 47

3.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển bốn góc phần tư FQR (Four – Quadrant PWM Rectifier) cho động cơ một chiều DC 47

3.3 Thiết kế bộ điều chỉnh 48

3.3.1 Động cơ một chiều 48

3.3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 49

3.3.3 Số hóa bộ điều chỉnh 52

3.4 Điều khiển công suất phản kháng và công suất tác dụng 53

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 55

4.1 Mô phỏng bộ chỉnh lưu ba pha bốn góc phần tư 55

4.1.1 Mô hình mô phỏng chỉnh lưu PWM 55

4.1.2 Kết Quả mô phỏng 58

4.2 Xây dựng mô hình thực nghiệm 68

4.2.1 Cấu trúc thực nghiệm 68

4.2.1.1 Giới thiệu về card điều khiển 1104 của hãng dSPACE 70

4.2.1.2 Phần mền Control Desk 71

4.2.1.3.Card giao diện và hệ thống đo lường 71

4.2.2 Quá trình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm 73

4.2.3 Kết quả thực nghiệm 74

4.3 Kết luận: 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

idc Giá trị dòng điện một chiều

udc Giá trị điện áp một chiều

iref Giá trị dòng điện chỉnh lưu

i, i Thành phần vector dòng điện trên hệ trục tọa độ 

isd Thành phần vector dòng điện vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục tọa độ d - q

isq Thành phần vector dòng điện vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục tọa độ d - q

ADC Bộ chuyển đổi tương tự số (Analog -to Digital Converter)

I/O Cổng vào ra (Input/ Output)

PWM Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse Width Modulation)

SVM Điều biến vector không gian (viết tắt của Space Vector Modulation) FQR Bộ chỉnh lưu điều biến độ rộng xung ba pha bốn góc phần tư (Three-

phase Four- Quadrant PWM Rectifier)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động Thyristor – Động cơ một chiều

Hình 1.2 Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của chỉnh lưu tia ba pha

Hình 1.3 Chỉnh lưu hình tia ba pha

a) Đặc tính điều chỉnh b) Đồ thị thời gian

Hình 1.4 Hiện tượng chuyển mạch giữa các van

1 2

T T

Hình 1.5 Quan hệ giữa góc chuyển mạch μ và góc điều khiển α ứng với các

dòng điện chỉnh lưu khác nhau

Hình 1.6 Chế độ dòng điện gián đoạn và biên liên tục

Hình1.7 Mô hình chỉnh lưu 3 pha dùng Tiristor

Hình 1.8 Phân tích phổ dòng điện đầu vào iA & iB ( = 00)

Hình 1.9 Phân tích phổ dòng điện đầu vào iA & iB ( = 600)

Hình 1.10 Phân tích phổ dòng điện đầu vào iA & iB ( = 900)

Hình 1.11 Ảnh hưởng của m,L khi chỉnh lưu

a) Ba pha hình tia b) Ba pha hình cầuHình 1.12 Sơ đồ hệ T-Đ đảo chiều dùng hai bộ biến đổi điều khiển riêng

Hình 1.13 Mô hình khâu LOG

Hình 1.14 Diễn biến quá trình đảo chiều

Hình 1.15 Mô hình mô phỏng quá trình đảo chiều động cơ

Hình 1.16 Đặc tính tốc độ (rad/s)

Hình 1.17 Đặc tính điện áp chỉnh lưu Ud

Hình 1.18 Đặc tính điện áp chỉnh lưu Ud giai đoạn đảo chiều

Hình 2.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu bốn góc phần tư

Hình 2.2 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi bốn góc phần

Hình 2.3 Đặc tính của van bán dẫn lý tưởng

Hình 2.4 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi hai góc phần tư

Hình 2.5 Vector không gian dòng xoay chiều đầu vào khi Idc > 0

Hình 2.6 Vector không gian dòng xoay chiều đầu khi Idc < 0

Hình 2.7 Lược đồ lựa chọn sectơ

Hình 2.8 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 1 Hình 2.9 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 2 Hình 2.10 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 3 Hình 2.11 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 4 Hình 2.12 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 5

Hình 2.13 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 6 Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển FQR

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình 3.3 Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện

Hình 4.4 Khối chuyển vị tọa độ abc dq

Hình 4.5 Khối chuyển vị tọa độ dq αβ

Hình 4.6 Cấu trúc chi tiết khối tính chọn góc theta

Hình 4.7 Đặc tính tốc độ động cơ

Hình 4.8 Đặc tính dòng điện đầu vào

Hình 4.9 Phân tích phổ dòng điện đầu vào sau lọc LC

Hình 4.10 Đặc tính điện áp đầu vào

Hình 4.11 Góc chuyển vị cho hệ tọa độ quay

Hình 4.12 Đặc tính điện áp một chiều

Hình 4.13 Đặc tính điện áp một chiều lúc đảo chiều

Hình 4.14 Đặc tính dòng điện một chiều

Hình 4.15 Đặc tính mô men động cơ

Hình 4.16 Đặc tính tốc độ động cơ giai đoạn có đảo chiều

Hình 4.17 Đặc tính dòng điện đầu vào

Hình 4.18 Phân tích phổ dòng điện đầu vào sau lọc LC

Hình 4.19 Đặc tính điện áp đầu vào

Hình 4.20 Góc chuyển vị cho hệ tọa độ quay

Hình 4.21 Đặc tính điện áp một chiều

Hình 4.22 Đặc tính điện áp một chiều lúc ổn định

Hình 4.23 Đặc tính dòng điện một chiều

Hình 4.24 Đặc tính mô men động cơ

Hình 4.25 Cấu trúc thực nghiệm tổng quát

Hình 4.26 Mô hình thực nghiệm

Hình 4.27 Nguồn cấp cho sơ cấp MBA xung

Hình 4.28 Nguyên lí của mạch nguồn cho một driver

Hình 4.29 Nguyên lý driver phát xung cho van MOSFET

Hình 4.30 Cấu trúc R&D DS1104Mô hình cấu trúc

Hình 4.31 Giao diện của card ds1104 với ngoại vi

Hình 4.32 Giao diện điển hình dùng DS1104

Hình 4.32 Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển

Hình 4.34 Mô hình thực nghiệm chỉnh lưu

Hình 4.35 Ba pha mạch chỉnh lưu

Hình 4.36 Một pha của mạch chỉnh lưu

Hình 4.37 Giao diện theo dõi các tín hiệu và tham số

Hình 4.38 Đặc tính tốc độ

Hình 4.39 Góc chuyển vị cho hệ tọa độ quay

Hình 4.40 Điện áp đầu vào

Hình 4.41 Dạng xung cho 6 van

Hình 4.42 Tín hiệu vào và tín hiệu mở van

MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và công nghệ trên thế giới, Việt Nam đang từng ngày hội nhập với nền kinh tế thế giới và tiếp nhận những thành tựu mới nhất của khoa học và công nghệ Đặc biệt trong ngành công nghiệp điện tử, các thiết bị điện tử công suất được sản xuất ngày càng nhiều

Và các ứng dụng của nó trong công nghiệp và đời sống hằng ngày phát triển hết sức mạnh mẽ

Hiện nay, việc điều khiển động cơ một chiều thường sử dụng bộ biến đổi Tiristor truyền thống: Xung áp một chiều, chỉnh lưu tiristor … với nhiều nhược điểm: Dòng đầu vào chứa nhiều sóng hài bậc cao, quá trình đảo chiều diễn ra chậm, logic đảo chiều phức tạp Để khắc phục những nhược điểm trên người ta nghiên cứu các phương pháp mới Một trong những phương án đó là phương pháp chỉnh lưu PWM ba pha bốn góc phần tư

Xuất phát từ thực tế đó tôi đã chọn đề tài nghiên cứu khoa học: “Nghiên cứu

bộ biến đổi xoay chiều – một chiều bốn góc phần tƣ”

Luận văn gồm có 4 chương:

Chương 1: Phân tích nhược điểm truyền động T – Đ đảo chiều

Chương 2: Phân tích nguyên lý làm việc của chỉnh lưu biến điệu độ rộng xung Chương 3: Ứng dụng chỉnh lưu PWM cho truyền động đảo chiều động cơ một chiều Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm

Đề tài đã được hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ bảo, giúp đỡ động viên của các thày cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp Tôi xin

gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Bùi Quốc Khánh, người đã luôn động

viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn Các vấn đề được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, tôi mong nhận được lời đóng góp từ các thày cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp

Xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 7 năm 2009

Tác giả

Trần Thị Hoàn

CHƯƠNG 1

PHÂN TÍCH NHƯỢC ĐIỂM TRUYỀN ĐỘNG T – Đ ĐẢO CHIỀU

1.1 Giới thiệu về hệ truyền động Thiristo – Động cơ một chiều (T-Đ)

Trong hệ thống truyền động thyristor - động cơ một chiều (T- Đ), bộ biến đổi điện là các mạch chỉnh lưu điều khiển có sđđ E

d phụ thuộc vào giá trị của pha xung điều khiển (góc điều khiển) Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ Tuỳ theo yêu cầu cụ thể của truyền động mà có thể dùng các sơ đồ chỉnh lưu thích hợp, để phân biệt chúng có thể căn

cứ vào các dấu hiệu sau đây:

- Số pha: 1 pha, 3 pha, 6 pha v.v…

- Sơ đồ nối: hình tia, hình cầu, đối xứng, và không đối xứng

- Số nhịp: Số xung áp đập mạch trong thòi gian một chu kỳ điện áp nguồn:

- Khoảng điều chỉnh: là vị trí của đặc tính ngoài trên mặt phẳng toạ độ [Ud,Id]:

- Chế độ năng lượng: chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc:

- Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn

- Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và vào các tính chất của tải, trong truyền động điện, tải của chỉnh lưu thường là cuộn kích

từ (L-R) hoặc là mạch phần ứng động cơ (L-R-E) Để tìm hiểu hoạt đông của hệ

T-Đ ta hãy phân tích một sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha mà sơ đồ thay thế được vẽ trên Hình 1.2, trong đó:

E- sđđ quay của động cơ

Uđk

CKT +

L

-Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động Thyristor – Động cơ một chiều

1.1.1 Chế độ dòng liên tục

Khi dòng điện chỉnh lưu i

dlà liên tục thì có thể dựng được đồ thị các quá trình dòng điện và điện áp như trên Hình 1.3 Sđđ chỉnh lưu là những đoạn hình sin nối tiếp nhau, giá trị trung bình của sđđ chỉnh lưu được tính như sau:

22

 - tần số góc của điện áp xoay chiều;

 - góc mở van (hay góc điều khiển) tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên

0

 - góc điều khiển tính từ thời điểm sđđ xoay chiều bắt đầu dương;

m - số xung áp đập mạch trong một chu kỳ điện áp xoay chiều

E d

E do

2 /

a)

 0

Hình 1.2 Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của chỉnh lưu tia ba pha

Phương trình vi phân mô tả mạch thay thế trên Hình 1.2 là:

di d

R E

d I



    0 me (1-5)

1.1.2 Hiện tượng chuyển mạch

Trong sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha, khi phát xung nhằm để mở một van tiristo thì điện áp anốt của pha đó phải dương hơn điện áp của pha có van đang dẫn dòng,

do đó mà dòng điện của van đang dẫn sẽ giảm dần về không, còn dòng điện của van

kế tiếp sẽ tăng dần lên Do có điện cảm trong mạch mà quá trình này xảy ra từ từ, cùng tại một thời điểm cả hai van đều dẫn dòng và chuyển dòng cho nhau, quá trình này gọi là chuyển mạch giữa các van

Hình 1.4 Hiện tƣợng chuyển mạch giữa các van

1 2

T T

Trong quá trình chuyển mạch vì cả hai van đều dẫn nên sđđ chỉnh lưu bằng trung bình cộng của điện áp hai pha Phương trình cân bằng điện áp cho các pha lúc chuyển mạch là:

1 2

I mk

   

Hình 1.5 Quan hệ giữa góc chuyển mạch μ và góc điều khiển α ứng với các dòng

điện chỉnh lưu khác nhau



18 /

9 /

6 /



9 /



18 /

Trong thực tế vận hành ít khi dòng điện chỉnh lưu vượt quá giá trị 1

I d I mk

đó có thể nói rằng trong chỉnh lưu tia ba pha, góc chuyển mạch cực đại là π/6 Do

có chuyển mạch nên sđđ chỉnh lưu bị sụt đi (vùng gạch chéo lên Hình 1.4b) Giá trị trung bình của sụt áp do chuyển mạch được tính như sau:

1.1.3 Chế độ dòng điện gián đoạn

Hiện tượng gián đoạn dòng điện chỉnh lưu xảy ra do năng lượng điện từ tích

lũy trong mạch khi dòng điện tăng (

2

2

I

L ) không đủ duy trì tích chất liên tục của

dòng điện khi nó giảm Lúc này góc dẫn của van trở nên nhỏ hơn 2π/m, dòng điện qua van trở về không trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn Trong khoảng dẫn của van thì sđđ chỉnh lưu bằng sđđ nguồn:

, 0

d      Khi dòng điện bằng không, sđđ chỉnh lưu bằng sđđ của động cơ điện:

2,

2 ,

2

U

I m

m

  

t e

Hình 1.6 Chế độ dòng điện gián đoạn và biên liên tục

Trong trường hợp bỏ qua điện trở R trong mạch phần ứng thì phương trình mô

tả mạch Hình 1.4 sẽ là:

sin 2

di d

Đây là quan hệ hàm ẩn giữa ba biến số , ,

Giá trị trung bình của dòng điện ở chế độ gián đoạn viết trong hệ đơn vị tương đối được tính như sau:

2

E U m

  ) ứng với trạng thái biên giới liên tục và có thể tìm được nó nếu đặt 2 / m vào (1-12) và (1-13)

Để tìm đường biên giới giữa vùng dòng điện liên tục và vùng dòng điện gián đoạn ta tính cos  từ (2-16) và tính sinα từ (2-17) và vì cos2sin2 1 nên:

1.2 Phân tích sóng hài bậc cao

Để thấy được sóng hài bậc cao của hệ T – Đ ta phân tích mô hình Three - phase Thyristor Converter với tải tương đương động cơ một chiều trong matlab -

simulink Ta có mô hình như hình 1.7:

Synchronization Voltages

DC motor equivalent circuit

Three-Phase Thyristor Converter

220 V rms L-L 3-phase Source

Use the Powergui FFT tool to display the spectrum of Scope signals stored in the 'psbconverter_str' structure.

Continuous

i + - iB

i + - iA

v + - Vd

v + - Vca Vc

v + - Vbc

Vb

v + - Vab

Va

g A B C + - Thyristor Converter

alpha_deg AB BC CA Block pulses

Synchronized 6-Pulse Generator

Scope

Mux i

+ - Id

90 Constant1

0

iA & iB Id Vd

Hình1.7 Mô hình chỉnh lưu 3 pha dùng Tiristor

Do sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu mà dòng điện qua nguồn điện xoay chiều

có dạng khác sin Phân tích đường cong dòng điện nguồn ra chuỗi Puriê ta được đường cong hình sin tần số bằng tần số điện áp nguồn được gọi là sóng hài bậc nhất dòng điện nguồn và tổng vô hạn các thành phần hình sin khác có tần số lớn hơn tần

số điện áp nguồn một số nguyên lần được gọi là các sóng hài bậc cao dòng điện nguồn

Hệ truyền động T - Đ sử dụng bộ chỉnh lưu dùng thyristor là phần tử phi tuyến gây nên sóng điều hòa bậc cao

Khi động cơ làm việc sự có mặt của thyristor sẽ làm cho tín hiệu nguồn bị méo

so với tín hiệu hình sin Dòng điện phía lưới không sin và chứa các thành phần sóng điều hòa bậc cao Đặc biệt là các thành phần bậc 5 và 7 Nó được biểu hiện bằng hệ

số méo dạng THD

Hệ số méo dạng dòng điện:

2 2 1

Các kết quả mô phỏng dòng điện nguồn khi thay đổi góc điều khiển 

Trường hợp 1: Góc điều khiển  = 00

Theo phân tích phổ dòng điện trên ta thấy khi góc điều khiển  = 00 thì hệ số méo dạng THD = 14.51%

Trường hợp 2: Góc điều khiển  = 600

Hình 1.9 Phân tích phổ dòng điện đầu vào i A & i B ( = 600)

Theo phân tích phổ dòng điện trên ta thấy khi góc điều khiển  = 600 thì hệ

số méo dạng THD = 28.82%

Trường hợp 3: Góc điều khiển  = 900

Hình 1.10 Phân tích phổ dòng điện đầu vào iA & iB ( = 900)

Theo phân tích phổ dòng điện trên ta thấy khi góc điều khiển  = 900 thì hệ

số méo dạng THD = 144.45%

Theo các kết quả trên ta thấy : Sóng hài bậc cao phụ thuộc vào sự thay đổi góc điều khiển , góc điều khiển  càng lớn thì độ méo dạng của dòng điện do sóng hài bậc cao gây ra càng lớn

1.3 Dòng điện gián đoạn

Theo phân tích về dòng điện gián đoạn trên ta thấy rằng hiện tượng gián đoạn xảy ra phụ thuộc vào một trong các yếu tố sau đây

- Hiện tượng gián đoạn dòng điện chỉnh lưu xảy ra do năng lượng điện từ tích

lũy trong mạch khi dòng điện tăng (

2

2

I

L ) không đủ duy trì tích chất liên tục của

dòng điện khi nó giảm dẫn đến hiện tượng dòng điện trở về không trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn

- Dòng điện gián đoạn xảy ra phụ thuộc vào suất điện động (sđđ):

+ Nếu ta giữ nguyên góc điều khiển αo= const nhưng tăng dần sđđ E của động

ở (ε) thì góc dẫn λ sẽ giảm dần và khi E = U2m.sinαo thì λ = 0 tức là không có dòng chảy trong mạch Lúc này mômen động cơ cũng sẽ bằng không, động cơ bị giảm tốc độ và do đó E giảm, dòng điện lại xuất hiện trong mạch nhưng tương ứng với tốc độ thấp hơn Vì thế, ở chế độ dòng điện gián đoạn, đặc tính cơ của động cơ trở nên rất dốc

+ Nếu ta giữ αo = const và giảm dần E, góc dẫn λ sẽ dài dần ra và khi λ = 2л/m thì dòng điện trong mạch trở nên liên tục ,giá trị đó của sđđ E (tương ứng ε = E/U2m) ứng với trạng thái biên giới liên tục

- Hiện tượng gián đoạn xảy ra còn phụ thuộc vào điện cảm L và số xung áp đập

Tập hợp các điểm trạng thái biên [ωblt , Iblt] khi thay đổi góc điều khiển α =

0 π gần đúng là đường elip có các trục chính là các trục tọa độ, là đường cong nét đứt trên hình 1.21 Trong đó hình 1.21b là đặc tính động cơ tương đương nhưng chỉnh lưu là hình cầu ba pha (m=6) và điện cảm L lớn gấp 5 lần Từ đó ta thấy rõ tác dụng thu hẹp vùng dòng điện gián đoạn của việc tăng các thông số m,L của mạch phần ứng Tuy nhiên việc tăng số xung m kéo theo tăng độ phức tạp của mạch lực và mạch điều khiển chỉnh lưu, còn khi tăng điện cảm L kéo theo là xấu quá trình quá độ và làm tăng trọng lượng kích thước của hệ thống

Hình 1.11 Ảnh hưởng của m,L khi chỉnh lưu a) ba pha hình tia, b) ba pha hình cầu

1.4 Quá trình đảo chiều ở hệ T- Đ

Như ta đã biết khi đảo chiều quay động cơ hệ truyền động cần phải giải phóng động năng tích lũy của phần cơ ở chiều đang quay Khi tốc độ động cơ giảm về không hệ truyền động sẽ khởi động theo chiều ngược lại Điều này có nghĩa là truyền động cần qua chế độ hãm và nó sẽ chuyển trạng thái làm việc qua ba góc phần tư Đối với hệ T – Đ có đảo chiều quay cần thực hiện chế độ hãm tái sinh ở vùng tốc độ cao và hãm ngược ở vùng tốc độ thấp

Do chỉnh lưu Tiristo chỉ dẫn dòng theo một chiều và nó chỉ điều khiển được khi

mở, còn khóa phụ thuộc vào điện áp lưới Nên hệ T – Đ đảo chiều khó khăn và phức tạp do đó hệ T –Đ đảo chiều cần tuân theo một quy trình logic chặt chẽ tránh 2 bộ đều có xung mở gây ngắn mạch

Ta phân tích quá trình đảo chiều ở hệ T- Đ đảo chiều dùng 2 bộ biến đổi điều khiển riêng

1.4.1 Mạch lực

Bộ biến đổi điều khiển riêng gồm 2 bộ biến đổi mắc song song và ngược chiều nhau Việc điều khiển cho hai bộ biến đổi là độc lập với nghĩa: người ta tách phát xung điều khiển cho hai bộ biến đổi - tức là khi một bộ làm việc thì bộ kia

bị khóa hoàn toàn

Hình 1.12 Sơ đồ hệ T-Đ đảo chiều dùng hai bộ biến đổi điều khiển riêng

Trong đó mạch lực gồm 6 cặp tiristor đấu song song ngược làm thành hai

bộ biến đổi: một bộ làm việc với chiều quay tthuận của động cơ còn bộ kia làm việc theo chiều ngược Mạch điều khiển hai bộ được điều khiển bằng hai khóa 1

K , K2 Giả sử động cơ làm việc bình thường ở chiều thuận bộ BBĐ_1 làm việc

ở chế độ chỉnh lưu ở góc phần tư thứ nhất, BBĐ_2 khóa hoàn toàn Ngược lại ở chế độ ngược thì BBĐ_2 làm việc ở chế độ chỉnh lưu trong góc phần tư thứ 3 trong khi BBĐ_1 khóa hoàn toàn

Khi truyền động đảo chiều hoặc giảm tốc sẽ thực hiện ở góc phần tư thứ

2 do BBĐ_2 đảm nhận hay ở góc phần tư thứ 4 do BBĐ_1 đảm nhận Tuy nhiên việc thực hiện chuyển từ BBĐ_1 và BBĐ_2 cho nhau phải thực hiện qua điều kiện logic chặt chẽ

1.4.2 Phân tích đảo chiều

Giả sử hệ đang làm việc ở chiều thuận với BBĐ_1 khi có lệnh đảo chiều sang chiều ngược Tín hiệu điều khiển U dk giảm và đổi dấu từ dương sang âm

làm góc điều khiển tăng đến

2



  , E 1 giảm và đổi dấu Điều này dẫn đến dòng điện giảm về không, cắt phát xung cho BBĐ_1 Khi đảm bảo U dk ở đầu mút nghịch lưu, đóng phát xung cho BBĐ_2, hệ sẽ hãm tái sinh Quá trình đảo

-chiều tuân theo luật logic điều khiển chặt chẽ nhằm tránh hai bộ cùng làm việc (sẽ gây ngắn mạch) Chính vì vậy mà hệ T-Đ điều khiển riêng cần có mạch logic điều khiển

Logic điều khiển

Ta định nghĩa các đầu vào- ra của khối logic điều khiển:

Hình 1.14 Diễn biến quá trình đảo chiều

Diễn biến quá trình đảo chiều

Hệ chuyển trạng thái làm việc qua ba góc phần tư và xảy ra qua 5 giai đoạn + Giai đoạn 1 (ở góc phần tư thứ nhất): quá trình giảm điện áp chỉnh lưu, dòng điện giảm về không và khóa BBĐ_1

+ Giai đoạn 2: thời gian chết T0, động cơ quay tự do Mục đích của giai đoạn này là kiểm tra chắc chắn BBĐ_1 đã khóa an toàn Bởi vì mạch đang làm việc ở vùng dòng điện gián đoạn cho nên khi logic báo I d  0 chưa chắc BBĐ_1 đã khóa hoàn toàn Vì vậy T0 được tính bằng thời gian dẫn của tiristo

Gãc phÇn tø III

+ Giai đoạn 3: Hãm tái sinh, BBĐ_2 làm việc ở chế độ nghịch lưu

0

d d

P EI  ( phát năng lượng ) , P b E I d d  0 (thu năng lượng) Ở giai đoạn này điều chỉnh tốc độ thay đổi của E d phù hợp với quán tính cơ động cơ nhằm giữ dòng điện hãm không đổi trong giới hạn cho phép

+ Giai đoạn 4: hãm ngược Ở vùng tốc độ thấp E nhỏ, BBĐ_2 phải chuyển sang chế độ chỉnh lưu với giá trị E d đủ lớn để hãm tốc độ động cơ về không và khởi động theo chiều ngược lại

+ Giai đoạn 5: Khởi động theo chiều ngược

Để thấy rõ qua trình đảo chiều ta phân tích mô hình chỉnh lưu ba pha thyristor đảo chiều điều khiển riêng

Hình 1.15: Mô hình mô phỏng quá trình đảo chiều động cơ

Kết quả mô phỏng:

Với mômen cản M = 30 (Nm)

- Tại thời điểm t = 0 (s) phát xung cho bộ 1 động cơ quay theo chiều thuận

- Tại thời điểm t = 0.5 (s) ngừng phát xung cho bộ 1, bắt đầu phát xung cho bộ 2 động cơ được đảo chiều quay theo chiều ngược

Hình 1.16 Đặc tính tốc độ (rad/s)

Hình 1.17 Đặc tính điện áp chỉnh lưu Ud

Hình 1.18 Đặc tính điện áp chỉnh lưu Ud giai đoạn đảo chiều

1.5 Kết luận

Theo những phân tích trên thì hệ truyền động T – Đ có những nhược điểm sau:

- Sóng hài bậc cao phụ thuộc vào sự thay đổi của góc điều khiển , khi  càng

lớn thì độ méo dạng (THD) càng lớn

- Tồn tại dòng điện gián đoạn

- Thời gian đảo chiều chậm do tồn tại thời gian chết để đảm bảo điều kiện an

toàn, đảo chiều phức tạp do chuyển mạch bằng logic điều khiển

Từ những tồn tại của hệ T-Đ người ta nghiên cứu một phương pháp mới có khả năng giải quyết được những nhược điểm của T-Đ Đó là phương pháp chỉnh lưu PWM dùng phương pháp biến điệu độ rộng xung (Three - phase Four – Quadrant PWM Rectifier)

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CỦA CHỈNH LƯU

BIẾN ĐIỆU ĐỘ RỘNG XUNG

2.1 Đặt vấn đề

Phương pháp biến điệu vector không gian SVM (Space Vector Modulation) là phương pháp điều khiển phát xung có nhiều ưu điểm như:

+ Khả năng tận dụng điện áp một chiều DC tốt hơn

+ Dòng diện vào ít sóng hài bậc cao hơn

+ Dễ dàng thực hiện bằng vi điều khiển

2.2 Cấu trúc mạch lực FQR (Three- phase Four - quadrant PWM rectifier)

Hình 2.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu bốn góc phần tư

Để tiện cho việc nghiên cứu ta giả thiết các van bán dẫn là khóa lí tưởng, nghĩa

là (1-On, 0- Off) Từ cấu trúc mạch chỉnh lưu bốn góc phần tư ta có sơ đồ thay thế

bộ biến đổi như hình 2.2 sau:

số công suất bằng một và dòng điện chứa ít thành phần song hài bậc cao Các bộ biến đổi này nối với đường truyền một chiều sẽ mang lại cho tải những chuyển đổi mong muốn như thay đổi tốc độ truyền động động cơ cảm ứng và đồng bộ nam châm vĩnh cửu, bộ biến đổi từ một chiều sang một chiều, hoạt động đa truyền động

Cấu trúc mạch chỉnh lưu bốn góc phần tư có hai phần chính:

- Bộ lọc đầu vào

- Bộ biến đổi

2.2.1 Bộ lọc đầu vào:

Với các phương pháp biến điệu áp dụng cho sơ đồ các bộ biến đổi, các van

sẽ đóng cắt với tần số cao Khi đó nếu điện áp xoay chiều trên lưới điện có thể coi

gần đúng như các nguồn áp với nội trở nhỏ thì dòng phía xoay chiều có thể bao gồm nhiều xung dòng, có độ rộng rất nhỏ Để dòng xoay chiều có dạng trơn, hình sin

theo sóng hài cơ bản, sẽ cần có mạch lọc nối tiếp giữa lưới và bộ biến đổi

Dòng phía đầu vào bộ biến đổi gồm những xung dòng, chứa thành phần sóng hài cơ bản ở tần số lưới và các thành phần hài bậc cao, là bội số của tần số lấy mẫu

Do tần số lấy mẫu rất lớn so với tần số điện áp lưới nên kích thước bộ lọc nhỏ, không ảnh hưởng đáng kể đối với kích thước của mạch lực

2.2.2 Bộ biến đổi

Bộ biến đổi cấu tạo từ các van bán dẫn hai chiều BDS (Bidirectional Switches) Mỗi BDS tạo bởi một cặp IGBT Mỗi van có thể điều khiển dòng vào theo cả hai chiều Nhờ các van bán dẫn hai chiều có thể áp dụng phương pháp điều chế vector không gian một cách hiệu quả

2.3 Điều chế vector không gian

2.3.1 Khái niệm vector không gian và vector chuẩn

Ta thấy tại một thời điểm chỉ có 6 van trong số 12 van của FQR (hình 2.1) hoạt động theo nguyên tắc sau:

Nếu idc > 0 ngắt xung 6 van (a1, a3, b1, b3, c1, c3) đồng thời phát xung đóng mở cho 6 van (a2, a4, b2, b4, c2, c4)

Nếu idc < 0 ngắt xung 6 van (a2, a4, b2, b4, c2, c4) đồng thời phát xung đóng mở cho 6 van (a1, a3, b1, b3, c1, c3)

Tuy nhiên hệ thống xung tác động lên các van luôn có sự tuơng ứng như sau:

a1 a4 , b1 b4 , c1  c4

a3 a2 , b3 b2 , c3  c2

Mạch nguyên lí của chỉnh lưu bốn góc phần tư gồm 6 cặp IGBT tạo nên hai

bộ biến đổi, một bộ làm việc theo chiều thuận, còn bộ kia làm việc theo chiều ngược lại nên ta chỉ cần xét SVM (space vector modulation) cho 6 van trong số 12 van của FQR là đủ

Hình 2.4 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi hai góc phần tƣ

Các giá trị dòng vào và điện áp một chiều có mối quan hệ với dòng một chiều

và điện áp pha đầu vào thông qua trạng thái của các khóa bán dẫn như sau:

2 4

u a b c dc

u b

u a b c dc

u c

cả 6 trạng thái van tích cực, nghĩa là có điện áp ở đầu ra bằng một điện áp đầu vào

Có 3 trạng thái van mà điện áp ra bằng không khi hai van trên cùng một pha được

mở, khi đó đầu ra bị ngắn mạch, dòng các pha xoay chiều khi đó bằng không Tất cả các trạng thái van được liệt kê trong bảng 2.1 (khi idc >0) và bảng 2.2 (khi idc <0)

Bảng 2.1 Trạng thái của các van chỉnh lưu và các vector tương ứng (i dc >0)

001

001

010

010

100

100

00

01

100

00

00

R

N Ud U U2a

01

01

10

10

00

01

10

Biểu diễn vector không gian của dòng điện có dạng như:

2.3.2 Xây dựng phương pháp điều chế vector không gian

Trong biểu diễn vector không gian, việc biến điệu vector không gian trong sơ

đồ là tổng hợp vector chuẩn dùng bảng chuyển mạch vector Nó có thể được chia thành các bước sau đây:

- Bước 1: Xác định vector biên chuẩn

- Bước 2: Xác định vector dòng điện đặt iref thuộc sector nào

- Bước 3: Xác định tỉ số điều biến d1, d2

- Bước 4: Xác định mẫu xung cho từng sector

2.3.2.1 Xác định vector biên chuẩn

Vector biên chuẩn được xác định từ các trạng thái van được phép Ứng với mỗi trạng thái có thể đưa của van ta tính được giá trị dòng điện qua các pha theo dòng idc, sau đó áp dụng (2.3) tính ra vector dòng điện trong trạng thái van dẫn này

Có thể thấy rằng vector dòng điện i1 có độ dàii i i dc

3

21

1   hướng theo các góc

cố định trên mặt phẳng tọa độ, những vector này được xác định từ các trạng thái van được phép, ứng với mỗi trạng thái van được phép, tính ra được vector dòng điện, vector này có độ dài và vị trí xác định gọi là các vector biên chuẩn, kí hiệu là I1,

I2,…I6 Sáu trạng thái van tích cực tạo nên sáu vector tích cực Trên mặt phẳng tọa

độ các vector này tạo nên một hình lục giác đều, chia mặt phẳng thành sáu góc bằng nhau, gọi là các sector, đánh số từ I đến VI Ba trạng thái ngắn mạch đầu ra tạo nên

ba vector không, khi đó dòng không chảy qua các pha phía xoay chiều (độ dài vector dòng điện bằng không) kí hiệu i0

Vector chuẩn chia mặt phẳng tọa độ  thành 6 sector như hình 2.5 khi idc >0

và trong hình 2.6 khi idc < 0

Hình 2.5 Vector không gian dòng xoay chiều đầu vào khi idc > 0

Hình 2.6 Vector không gian dòng xoay chiều đầu khi i dc < 0 2.3.2.2 Xác định vector iref thuộc sector nào

Ta biểu diễn dòng

ef

i

r trong mặt phẳng tọa độ tĩnh αβ bằng 2 thành phần i ,i

Trước hết ta chuyển vị từ hệ tọa độ 3 pha abc sang hệ tọa độ tĩnh αβ:

Cho biến ba pha cân bằng bất kỳ X ,X ,X

a b cta có quan hệ:

0

a b c  Trong đó: X là điện áp hoặc dòng điện

X trong mặt phẳng αβ có thể được phân tích thành: X  X  jX

Công thức chuyển hệ tọa độ từ abc αβ như sau:

2

12

113

2T

iref đặt được xác định trên mặt phẳng tọa độ tĩnh αβ bằng hai thành phần ivà

i Bằng thuật toán sau ta có thể xác định được iref(i,i) thuộc sector nào trong mặt phẳng tọa độ

2.3.2.3 Xác định tỉ số điều biến d1, d2

Mỗi vector quay ở vị trí bất kỳ trên mặt phẳng tọa độ đang làm trong góc phần sáu nào đó có thể tổng hợp từ hai vector chuẩn gần nhất Dòng điện đặt iref là tổng vector của hai vector biên d1in , d2in+1, có hướng trùng với hướng của hai vector chuẩn liền kề nó

iref = d1in + d2in+1Trong đó: d1, d2 là tỉ số điều biến của các vector chuyển mạch khác không của vector in, in+1

Khi iref thuộc sector (n+1) Nếu n = 6 thì iref thuộc sector 1

Ta cần xác định tỷ số điều biến d1, d2?

Tổng quát đặt: in = x; in+1 = y

iref = d1x + d2y

Với xy là hai vector biên chuẩn của 1 sector

d.βyβx

αyαxβy

αy2

dβx

αx1d),

1

yββx

αyαx

2d1d

12d1

1 β α, y , β α, x dc i

1 2x2

0bidciai

(2-9)

Chuyển qua hệ tọa độ tĩnh ta được:

dci)2dcidc

(i3

2)2cibia

(i3

21α

dc

i3

3)

ci(2

33

2)cib

(i2

33

21β

23

11dci

21βi

21αi1

i      (2-10) Tương tự ta tính được:

dc

i3

26i

2i1

i    (2-11) Biểu diễn i1 trong hệ tọa độ tĩnh 

dc

.i311

1βi1αi1

1

2

32

1

2x2A

3

13

12x2

B

Hoàn toàn tính toán cho các sector tiếp theo Kết quả tính toán được tổng hợp theo bảng 2.3 dưới đây:

d  d d

2.3.2.4 Xác định mẫu xung cho từng sector

Sau khi tìm được hệ số ta phải tìm cách chuyển thành thời gian đóng cắt cho mỗi van bán dẫn (xét trong trường hợp biến điệu đối xứng)

Việc biến điệu vector iref diễn ra trong một chu kì trích mẫu T

s của vi điều khiển Trong khoảng thời gian này, các vector chuẩn sẽ tồn tại với lượng thời gian

nhất định phụ thuộc vào những tỉ số biến điệu được tính ở trên Khoảng thời gian

còn lại trong chu kì trích mẫu T

ssẽ được vi điều khiển thực hiện với vector không

Các vector chuẩn và vector không được thực hiện thay phiên nhau trong giai đoạn

này nhưng theo một nguyên tắc là khi diễn ra sự thay đổi thì chỉ có một nhánh van

được chuyển trạng thái Khi đó vấn đề về chuyển trạng thái vector, xung tác động

đến các van sẽ được làm rõ qua hình 3.4

Ta tách vector điều chế thành hai vector biên có hướng trùng với hướng của

hai vector chuẩn ở biên của góc phần sáu tương ứng:

Với Ts là chu kì PWM Xét ví dụ cho sector 1

T i

a 

0 2

c  