Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần đa bậc với common mode cực tiểu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN PHƯƠNG QUANG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ DÙNG BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI COMMON MODE CỰC TIỂU NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 4 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2005 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN PHƯƠNG QUANG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ DÙNG BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI COMMON MODE CỰC TIỂU Chuyên ngành: Thiết Bò Mạng Nhà Máy Điện Mã số ngành: 60 52 50 Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 08 Năm 2005 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ DÙNG BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI COMMON MODE CỰC TIỂU Chuyên ngành: Thiết Bò Mạng Nhà Máy Điện Mã số ngành: 60 52 50 Họ Tên Học Viên: NGUYỄN PHƯƠNG QUANG Người Hướng Dẫn: TS NGUYỄN VĂN NHỜ Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 08 Năm 2005 MỤC LỤC - Nhận xét giáo viên - Tờ nhiệm vụ luận văn thạc só - Lời cảm ơn - Tóm tắt luận văn thạc só - Mục lục Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1 Vò trí biến tần công nghiệp 1.2 Biến tần đa bậc 1.3 Vấn đề điện áp common mode (C.M) 1.4 Những vấn đề khai triển luận văn Chương 2: GIỚI THIỆU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KĐB BIẾN TẦN ĐA BẬC 2.1 Giới thiệu 2.2 Các nguyên tắc điều khiển tốc độ động điện hệ truyền động động KĐB - biến tần đa bậc 2.3 Phương pháp điều chế dùng cho biến tần đa bậc 2.3.1 Cấu trúc biến tần đa bậc 2.3.1.1 Cấu trúc nghòch lưu dạng Cascade 2.3.1.2 Cấu trúc nghòch lưu chứa cặp diode kẹp 2.3.1.3 Cấu trúc phối hợp 2.3.1.4 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi 2.3.1.5 Nhận xét dạng sơ đồ nghòch lưu đa bậc 2.3.2 Phương pháp điều chế vector không gian cho biến tần đa bậc 2.3.2.1 Giản đồ vector điện áp biến tần ba bậc 2.3.2.2 Giản đồ vector điện áp nghòch lưu năm bậc 2.3.3.3 Vector redundant 2.3.3 Phương Pháp Điều Chế Độ Rộng Xung Dùng Sóng Mang (Carrier based PWM) 2.3.3.1 Khái niệm 2.3.3.2 Các dạng sóng mang dùng kỹ thuật điều chế PWM Chương 3: VẤN ĐỀ COMMON MODE TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG DÙNG BIẾN TẦN 3.1 Dẫn nhập 3.2 Mạch common mode hệ truyền động biến tần động 3.3 Các thông số điện ảnh hưởng đến độ bào mòn ổ đỡ 24 10 12 13 13 14 14 19 20 21 21 24 25 26 3.4 Tác động việc nối đất nguồn cung cấp lên điện áp common mode 3.5 Triệt giảm common mode thông qua việc lắp thêm tụ điện ngõ vào biến tần 3.5.1 Phương thức thực 3.5.2 Kiểm chứng qua thực nghiệm 3.5.3 Những nhận đònh triệt giảm C.M thông qua việc lắp thêm tụ điện ngõ vào biến tần 28 Chương 4: BIỆN PHÁP XỬ LÝ COMMMON MODE CỰC TIỂU TRONG BIẾN TẦN ĐA BẬC 4.1 Giới thiệu phương án 4.2 Triệt bỏ hoàn toàn điện áp common mode 4.3 Triệt bỏ phần điện áp common mode 4.3.1 Hệ thống chỉnh lưu cầu – nghòch lưu NPC 4.3.2 Chiến lược giảm điện áp C.M 4.3.3 Thực Nghiệm 4.4 Kết luận 31 Chương 5: XÂY DỰNG PHƯƠNG THỨC TRIỆT GIẢM COMMON MODE TỐI ƯU, MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 5.1 Giới thiệu phương án 5.2 Kỹ thuật triệt giảm common mode phối hợp SVPWM CPWM 5.2.1 Giới Thiệu 5.2.2 Khối Tạo Tín Hiệu kích hoạt (Active Signal Generator) 5.2.3 Khối Tạo Hàm Offset (Offset Generator) 5.3 Mô hệ truyền động với common mode cực tiểu 5.3.1 Lựa chọn mạch động lực 5.3.2 Mô hệ truyền động 5.3.2.1 Khối xác đònh cực trò 5.3.2.2 Khối Giới Hạn giá trò offset 5.3.2.3 Khối Hàm Vr 0,ref 5.3.2.4 Khối đònh tỉ lệ thời gian đóng cắt K1, K2, K3 5.3.2.5 Khối Tính Toán Tạo Voffset 5.3.2.6 Khối Tính Common mode cực tiểu 5.3.3 Mô 5.4 Đánh giá kết mô - kết luận 40 28 28 29 30 31 35 35 37 38 39 41 42 44 44 46 46 47 47 48 49 49 50 51 Chương 6: HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ ĐIỀU KHIỂN DỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR 6.1 Giới thiệu phương thức điều khiển dựa theo từ thông 6.1.1 Giới thiệu 6.1.2 So sánh với phương thức phương thức điều khiển tốc độ động thông dụng 6.2 Thành lập mô hình khối chứùc hệ điều khiển theo từ thông 6.2.1 Nguyên lý chung 6.2.2 Phép chuyển đổi tọa độ 6.2.3 Mô hình toán học động 6.2.3.1 Lựa chọn động cho hệ truyền động 6.2.3.2 Mô hình toán học động điện KĐB xoay chiều pha 6.2.4 Sơ đồ khối hệ điều khiển theo từ thông 6.2.4.1 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển vector động điện KĐB xoay chiều pha 6.2.4.2 Chuyển đổi qua lại hệ trục (a,b,c)  (α-β) 6.2.4.3 Chuyển đổi qua lại hệ trục (d,q)  (α-β) 6.2.4.4 Ước lượng từ thông rotor 6.2.4.5 Mạch phân ly 6.2.4.6 Xác đònh hàm từ thông yêu cầu 6.3 Tính toán thông số cho khối 6.3.1 Khối ước tính từ thông rotor 6.3.2 Khối chuyển đổi hệ trục toạ độ 6.3.3 Khối xác đònh giá trò từ thông tốc độ yêu cầu 6.3.4 Khối phân ly thành phần điều khiển 6.4 Mô hệ truyền động 6.4.1 Thiết lập sơ đồ mạch PSIM 6.4.2.1 Khối ước lượng từ thông rotor 6.4.2.2 Khối phân ly hai thành phần điều khiển 6.4.2.3 Các khối chuyển đổi 6.4.2.4 Mạch thay đổi chế độ tải 6.4.2 Mô hệ truyền động 6.5 Đánh giá kết mô - kết luận - Kết luận đề nghò + Summary - Tài liệu tham khảo - Phụ lục - Thuật ngữ kỹ thuật - Tóm tắt lý lòch trích ngang 51 52 54 55 59 60 61 62 63 64 64 66 68 68 69 69 70 71 71 72 72 75 76 78 79 Chương 1: MỞ ĐẦU G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 VỊ TRÍ BIẾN TẦN TRONG CÔNG NGHIỆP Với phát triển vũ bão chủng loại số lượng biến tần, ngày nhiều thiết bò điện – điện tử sử dụng biến tần, phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến biến tần điều khiển tốc độ động điện Trong thực tế có nhiều hoạt động công nghiệp có liên quan đến tốc độ động điện Đôi lúc xem ổn đònh tốc độ động mang yếu tố sống chất lượng sản phẩm, ổn đònh hệ thống … ví dụ: doa xi-lanh, máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm đònh hình đúc … Vì thế, việc điều khiển ổn đònh tốc độ động xem vấn đề yếu hệ thống điều khiển công nghiệp Điều chỉnh tốc độ động dùng biện pháp nhân tạo để thay đổi thông số nguồn điện áp hay thông số mạch điện trở phụ, thay đổi từ thông … Từ tạo đặc tính để có tốc độ làm việc phù hợp với yêu cầu phụ tải Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ: Biến đổi thông số phận khí tức biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động đến cấu máy sản xuất Biến đổi tốc độ góc động điện Phương pháp làm giảm tính phức tạp cấu cải thiện đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt ứng dụng hệ thống điều khiển điện tử Vì vậy, biến tần sử dụng để điều khiển tốc độ động theo phương pháp Ngoài cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với tự động thay đổi tốc độ phụ tải thay đổi động điện Như tên gọi, biến tần sử dụng hệ truyền động, chức thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động để thay đổi tốc độ động thay đổi tần số nguồn cung cấp thực việc biến đổi theo nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử Trước công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng nghòch lưu dùng máy biến áp Ưu điểm thiết bò dạng sóng dạng điện áp ngõ tốt (ít hài) công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhiều hạn chế như: - Giá thành cao phải dùng máy biến áp công suất lớn H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang Chương 1: MỞ ĐẦU G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ - Tổn thất biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất hệ thống nghòch lưu - Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn việc lắp đặt, tu, bảo trì thay - Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng dễ bò điện áp ngõ có tượng bão hoà từ lõi thép máy biến áp Ngoài ra, hệ truyền động nhiều thông số khác cần thay đổi, giám sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … mà có biến tần sử dụng thiết bò bán dẫn thích hợp trường hợp 1.2 BIẾN TẦN ĐA BẬC Động điện không đồng bộä Udc a) Hệ thống truyền động biến tần đa bậc - động điện không đồng bộä bậc bậc bậc bậc b) Điện áp ngõ thay đổi theo số bậc biến tần c) Sóng dạng điện áp điểm Hình 1.1: Hệ thống truyền động biến tần - động điện không đồng bộä H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang Chương 1: MỞ ĐẦU G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ Khái niệm hai bậc xuất phát từ trình điện áp đầu pha tải (điểm a, b c với điểm hình 1.1) nguồn chiều thay đổi hai bậc khác (tương ứng sơ đồ hình 1.1 +U dc/2 –Udc/2) Điều dẫn đến dV/dt lớn tượng điện áp common mode nghiêm trọng (xem chương 2) Để khắc phục điều người ta sử dụng nghòch lưu áp đa bậc (Multi-level Voltage Source Inverter: VSI), tính phổ dụng gọi biến tần đa bậc (Multi-level Inverter) Đây phương pháp điều chế có nhiều ưu điểm sử dụng điện áp cao công suất lớn Các nhược điểm vừa nêu biến tần hai bậc khắc phục sử dụng biến tần đa bậc Cụ thể xét hệ thống truyền động biến tần - động điện không đồng bộä với thông số động P = 800 kW; 4.16 kV; 60 Hz; cosφ = 0,8 có sơ đồ khối hình 1-1 Udc = kV, sau thực việc đo đạt thông số thực tế, thay đổi số bậc biến tần dùng hệ truyền động, ta có kết sau: Hình 1.2 a: Tổng độ méo dạng hài Hình 1.2 b: Giá trò điện kháng dùng lọc Hình 1.2 c: Công suất truyền qua nghòch lưu (Pcond) công suất tổn hao đóng cắt (Psw) Số bậc biến tần Hình 1.2: Các đặc tính biến tần đo đạt trên hệ truyền động thực tế H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang Chương 1: MỞ ĐẦU G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ - Sóng dạng điện áp ngõ gần sin (minh hoạ qua hình 1.1 b), hay tổng lượng hài giảm nhanh theo số bậc (hình 1.2 b) - Trò số điện cảm Lf mạch lọc nhỏ (với lọc), dẫn tới tổn hao đặc tính điện áp ngõ cải thiện (hình 1.2 a) - Tổn hao đóng cắt giảm (Psw giảm) công suất truyền tải qua hệ lại tăng (Pcond tăng), minh hoạ qua hình 1.2 c Với ưu điểm vượt trội trên, biến tần đa bậc sử dụng ngày rộng rãi công nghiệp Để tăng tính thuyết phục, luận án chọn biến tần đa bậc để thiết kế hệ truyền động động không đồng dùng biến tần 1.3 VẤN ĐỀ ĐIỆN ÁP COMMON MODE (C.M) Khi thiết kế thi công biến tần dùng hệ điều khiển tốc độ động điện có nhiều vấn đề cần phải quan tâm, cụ thể như: Trò hiệu dụng thành phần hài điện áp ngõ biến tần Tổn hao cuộn dây stator, rotor thành phần hài tăng lên cụ thể tác dụng sóng hài bậc cao làm tăng dòng điện từ hoá lõi thép Tổn hao dòng xoáy từ trễ Từ trường đập mạch, từ trường nghòch Công suất biến tần : với công suất lớn sử dụng biến tần hai bậc dV dI L lớn Độ dt dt dV giảm phẩm chất cách điện theo thời gian nhanh C lớn dt Giao thoa điện từ (EMI) biến thiên C v.v… Icm Dòng common mode Hình 1.3: Common-Mode biến tần – động H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang Chương 1: MỞ ĐẦU G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ Ngoài yếu tố kể trên, từ năm 2000 đến có nhiều đề tài, viết nhiều tác giả có uy tín đăng tải tạp chí lớn IEEE … bàn vấn đề điện áp C.M Hình 1.3 trình bày hệ thống chỉnh lưu cầu – nghòch lưu dạng diode kẹp (NPC) Trong cấu trúc này, điện áp C.M xác đònh điện trung tính dây stator “s” nối đất hệ thống “g” (trên hình 1.4) gọi vsg Điện áp cấu thành vsn vng Điện áp vng, điểm nguồn Udc, thay đổi tuỳ theo cách nối đất biến áp nguồn, trình bày hình 1.3 Điện điểm nguồn chiều biến tần với điểm trung tính dây stator động vsn diễn tả theo hàm đóng cắt linh kiện nghòch lưu NPC (sa, sb, sc) theo điều kiện phụ tải cân Theo [2], tác giả tìm mối quan hệ độ bào mòn ổ đỡ với điện áp C.M Cụ thể thể tích lượng kim loại bò bào mòn ổ đỡ tỷ lệ với lượng điện áp C.M đặt ổ đỡ Điện áp xuất chủ yếu biến thiên dV/dt biến tần sử dụng khoá điện tử Ngoài việc bào mòn ổ đở động cơ, dòng rò C.M (Icm) có khả gây đóng cắt sai relay bảo vệ dòng tác động nhanh out Hình 1.4: Sóng dạng điện áp Common-Mode (Vsn) 1.4 NHỮNG VẦN ĐỀ SẼ KHAI TRIỂN TRONG LUẬN VĂN Việc bào mòn ổ đỡ điện áp C.M rõ ràng, cần thiết phải triệt bỏ Ứng với phương thức điều khiển biến tần, có cách triệt giảm tương ứng, cần thiết phải lựa chọn phương thức điều khiển cho phù hợp đạt hiệu cao việc triệt giảm C.M cho hệ thống biến tần - động Trong thực tế có nhiều phương thức điều chế sử dụng nghòch lưu áp pha, SVPWM, CBPWM, DPWM, PWM kinh điển… phương án có ưu nhược riêng, phương án tối ưu phương diện Chính vậy, nên đề tài đưa phương pháp kết hợp nhằm thiết kế điều khiển tốc độ động không đồng dùng biến tần đa bậc với C.M cực tiểu giữ đặc tính ưu việt vốn có hệ truyền động H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang Chương 2: Hệ truyền động động KĐB - biến tần đa bậc G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KĐB - BIẾN TẦN ĐA BẬC 2.1 GIỚI THIỆU Trước đây, hầu hết hệ thống tự động điều khiển sử dụng động điện chiều kích từ độc lập/song song loại động dễ điều khiển cách ổn đònh loại động khác Nhưng năm gần đây, theo xu hướng phát triển vũ bão kỹ thuật điện tử số, điều khiển có khả điều khiển tốc độ động xoay chiều theo chương trình cài đặt sẵn ngày hoàn thiện đưa động xoay chiều trở thành lựa chọn ưu tiên cho hệ thống tự động điều khiển Bởi nguồn xoay chiều đâu có cấu tạo động chiều phức tạp giá thành cao, chi phí cho vận hành bảo dưỡng sửa chữa lớn … Vì vậy, nhà thiết kế hệ thống điều khiển tự động chuyển sang sử dụng động xoay chiều rotor lồng sóc hệ thống điều tốc có khả thay đổi cách linh hoạt theo yêu cầu thực tiễn thiết bò Động khơng đồng pha Nguồn E DC cung cấp Encoder Giải mã Mạch điều khiển Hình 2.1: Hệ thống truyền động biến tần – động sử dụng khoá bán dẫn Với hệ thống công suất nhỏ, nhà thiết kế loại động khác đáng để lựa chọn: động bước Ưu điểm bật động bước có tốc độ chuẩn dễ điều khiển theo chương trình đònh trước Tuy nhiên vấn đề công suất trở ngại lớn muốn thiết kế hệ thống tự động điều khiển sử dụng động bước, công nghiệp chủ yếu người ta sử dụng hệ thống biến tần – động không đồng Hình 2.1 trình bày hệ truyền động động không đồng - biến tần điển hình Trong hệ này, nghòch lưu gồm transistor chuyển nguồn chiều sức điện động E sang điện áp pha cung cấp cho động điện xoay chiều không đồng Để kích dẫn khoá transistor, với biến tần đa bậc người ta thường sử H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang Chương 2: Hệ truyền động động KĐB - biến tần đa bậc G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ dụng kỹ thuật xử lý số tín hiệu (Digital Signal Proccesing - DSP) Trên hệ này, người ta sử dụng vi mạch chuyên dụng DSP điều chế để điều khiển chế độ đóng cắt khoá bán dẫn nhằm thay đổi tốc độ động thông qua việc thay đổi tần số nguồn cung cấp f1 2.2 CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KĐB - BIẾN TẦN ĐA BẬC Khi đưa vào dây quấn động điện không đồng (KĐB) xoay chiều pha sức điện động hình sin xoay chiều pha tạo từ trường quay với tốc độ đồng bộ: n 60 f p (2.1) Với: * f1 tần số nguồn pha cung cấp cho động không đồng * p số đôi cực từ dây quấn stator Từ công thức tính tốc độ động trình bày phần trên, thay đổi tốc độ động điện xoay chiều không đồng pha theo phương pháp sau:  Thay đổi tần số nguồn cung cấp f1: Với phát triển vũ bão công nghệ chế tạo vi mạch số khả lập trình linh kiện công suất lớn, biến tần tạo sóng sin ngày hoàn thiện với giá thành ngày thấp … tạo nên chỗ đứng vững cho động điện xoay chiều không đồng pha hệ thống cần có điều chỉnh ổn đònh tốc độ Sử dụng biến tần điều khiển tốc độ động cho phép thay đổi tốc độ động khoảng rộng trơn, có bảo vệ tải, khởi động “êm” (ramp start) … Bên cạnh việc thay đổi tần số nguồn điện cung cấp, phương pháp cần phải thay đổi điện áp U, quan hệ (2.1), động không đồng xoay chiều pha có quan hệ Mt, U1 f1  Thay đổi số đôi cực từ p: Thông thường người ta sử dụng chuyển mạch khí để đổi nối cuộn dây dây quấn stator hay thay đổi hai dây quấn lõi thép kỹ thuật điện stator có cấu trúc khác số đôi cực từ nhằm thay đổi số đôi cực từ p để thay đổi tốc độ từ trường quay Khi thay đổi số đôi cực ta ý số đôi cực stator rotor Nghóa thay đổi số đôi cực stator rotor phải thay đổi theo Do khó thực cho động rotor dây quấn, nên phương pháp chủ yếu dùng cho động không đồng rotor lồng sóc loại H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang Chương 2: Hệ truyền động động KĐB - biến tần đa bậc G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ động có khả tự biến đổi số đôi cực rotor để phù hợp với số đôi cực stator Đối với động có nhiều cấp tốc độ, pha stator phải có hai nhóm bối dây trở lên hoàn toàn giống Do nhiều cấp tốc độ kích thước, trọng lượng giá thành cao Vì thực tế thường dùng tối đa bốn cấp tốc độ  Thay đổi điện trở phụ mạch rotor: Đây phương pháp điều chỉnh tốc độ đơn giản sử dụng động không đồng rotor quấn dây (vì phải có dây quấn rotor đưa vào điện trở điều chỉnh tốc độ thông qua việc thay đổi độ trượt s  Thay đổi điện áp dây quấn stator động cơ: Đây phương thức ứng dụng chung cho tất loại động điện Đối với động không đồng xoay chiều pha, thay đổi giá trò điện áp k lần, moment thay đổi đến k2 lần, thay đổi tốc độ động (công thức 2.3) Nghóa điện áp giảm 0,7 lần moment giảm đến (0,7)2 = 0,49 lần (hơn nửa)  Bằng cuộn kháng bão hoà: Đây hình thái biến tướng phương thức thay đổi điện áp dây quấn stator động Cuộn kháng bão hoà thiết bò điện từ có trò số điện kháng biến đổi Nguyên tắc làm việc sử dụng nguồn lượng nhỏ thay đổi độ từ hoá lõi thép, từ thay đổi điện áp đặt dây quấn stator động Nếu so với phương án thay đổi điện trở phụ mạch rotor; thay đổi điện áp dây quấn stator động cơ; sử dụng cuộn kháng bão hoà … phương án thay đổi số đôi cực từ p sử dụng chuyển mạch khí để thay đổi số đôi cực nhằm thay đổi tốc độ động thông dụng ưu điểm rẻ tiền làm việc với độ tin cậy cao nhược điểm lớn chúng khoảng thay đổi tốc độ hẹp, không trơn (nhảy cấp) không ổn đònh tốc độ (một yêu cầu quan trọng cho hệ truyền động điều tốc động cơ) Do vậy, đề tài nghiên cứu hệ thống điều tốc thông dụng hệ thống điều tốc sử dụng biến tần với thiết bò đóng cắt bán dẫn 2.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ DÙNG CHO BIẾN TẦN ĐA BẬC Hiện thực tế có nhiều phương thức điều chế sử dụng biến tần đa bậc, thông dụng phải kể đến hai phương thức: - Phương thức điều chế vector không gian (Space Vector PWM: SVPWM) H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang Chương 2: Hệ truyền động động KĐB - biến tần đa bậc G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ - Phương thức độ rộng xung dùng sóng mang (Carrier Based PWM: CBPWM) 2.3.1 Cấu trúc biến tần đa bậc Bộ nghòch lưu hình 2.1 chứa khoá bán dẫn nhánh pha tải, gọi nghòch lưu áp hai bậc (two-level VSI), áp dụng điện áp vừa công suất nhỏ Khái niệm hai bậc xuất phát từ trình điện áp đầu pha tải (điểm a, b c hình 2.1) với điểm O (hình 2.1) nguồn chiều thay đổi hai bậc khác (tương ứng sơ đồ hình 2.1 +E/2 –E/2) Điều dẫn đến dV/dt lớn tượng điện áp C.M nghiêm trọng (xem chương 3) a) Dạng NPC b) Chiến lược đóng cắt theo APOD c) Sóng mang điện áp chủ đạo hình sin (a) E/4 (b) E/2 E/4 E/4 -E/4 -E/2 -E/4 (c) Hình 2.2: Nghòch lưu áp năm bậc Để khắc phục điều người ta sử dụng nghòch lưu áp đa bậc (Multi-level Voltage source: VSI) minh hoạ hình 2.3 (a) (d) Để cho đơn giản, hiểu nghòch lưu áp đa bậc nghòch lưu áp hai bậc hình 2.1 thay khoá transistor nhiều khoá H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang Chương 2: Hệ truyền động động KĐB - biến tần đa bậc G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ hình 2.2 (a) Bốn khoá bán dẫn đóng cắt theo chương trình dựa việc so sánh với tín hiệu chủ đạo hình sin hình 2.2 (b) Chương trình nạp vào phần mềm điều khiển đóng cắt khoá bán dẫn điều khiển việc đóng cắt khoá để sóng dạng điện áp pha trình bày hình 2.2 (c) Rõ ràng quan sát mức so sánh hình 2.2 (b), biến tần có mức điện áp pha so với điểm nguồn DC Đó mức: 0, E/4, E/2, –E/4, –E/2 Vì vậy, nghòch lưu áp bậc Để sóng dạng điện áp ngõ hình 2.2 (c), người ta đóng cắt khoá transistor theo phương thức SPWM (xem phần cuối chương 2) bảng I Trong bảng này, thay đổi trạng thái đóng cắt tiếp điểm SW1, SW2, SW3, SW4 tạo nên thay đổi ngõ Vout theo mức 2E, E, 0, -E, -2E Xếp chồng kết lại ta có điện áp ngõ Hình 2.2 (b) BẢNG I: TRÌNH TỰ ĐÓNG CẮT CÁC KHOÁ SW i THEO PHƯƠNG THỨC SPWM mode mode mode mode mode SW1 on off off off off SW2 on on off off off SW3 on on on off off SW4 on on on on off Vout 2E E -E -2E Dựa vào cấu trúc mạch động lực, người ta phân biến tần đa bậc theo cấu trúc mạch động lực nghòch lưu đa bậc sau: 2.3.1.1 Cấu trúc nghòch lưu dạng Cascade (cascaded inverter): Hình 2.3: Nghòch lưu áp năm bậc dạng cascade Sử dụng nguồn chiều riêng, thích hợp trường hợp sử dụng nguồn chiều có sẵn, ví dụ dạng bình diện, battery Biến tần dạng Cascade gồm nhiều nghòch lưu áp cầu pha ghép nối tiếp, nghòch lưu áp dạng cầu pha có nguồn chiều riêng H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang 10 Chương 2: Hệ truyền động động KĐB - biến tần đa bậc G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ Bằng cách kích đóng linh kiện nghòch lưu áp pha, ba mức điện áp (-U, 0, U) tạo thành Sự kết hợp hoạt động n nghòch lưu áp nhánh pha tải tạo nên n khả mức điện áp theo chiều âm (-U, -2U, -3U, -4U, …, -nU ), n khả mức điện áp theo chiều dương (U, 2U, 3U, 4U, …, nU) mức điện áp Như vậy, nghòch lưu áp dạng cascade gồm n nghòch lưu áp pha nhánh tạo thành nghòch lưu (2n +1) bậc Để dễ hiểu hơn, xem khoá bán dẫn công tắc khí Dễ dàng nhận thấy nhánh pha biến tần cascade cấu thành từ việc ghép nối tiếp cầu H (nghòch lưu áp pha hình chữa H) nối tiếp nhau, nhánh pha ghép song song nhiêu dãy Minh hoạ hình 2.3 Pha A Neutral Hình 2.4: Đơn giản hoá sơ đồ pha A hình 2.3 Từ lý luận dễ dàng chuyển đổi mạch điện hình 2.3 hay nghòch lưu đa bậc dạng cascade trở nên đơn giản hình 2.5 Do cấu trúc nên ta thấy biến tần đa bậc dạng cascade có số linh kiện tham gia dạng khác, việc điều khiển dễ dàng nhóm cầu H giống mặt cấu trúc từ dễ module hoá Vấn đề cân điện áp liên lạc chiều không xảy Do nói dạng biến tần đa bậc thông dụng Tuy nhiên dạng cần nhiều nguồn chiều Hình 2.5: Đơn giản hoá sơ đồ biến tần n bậc dạng cascade H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang 11 Chương 2: Hệ truyền động động KĐB - biến tần đa bậc G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ 2.3.1.2 Cấu trúc nghòch lưu chứa cặp diode kẹp (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter: NPC): Sử dụng thích hợp nguồn chiều tạo nên từ hệ thống điện xoay chiều Bộ nghòch lưu đa bậc chứa cặp diode kẹp có mạch nguồn chiều phân chia thành số cấp điện áp nhỏ nhờ chuỗi tụ điện mắc nối tiếp Trình bày hình 2.6 Giả sử nhánh mạch chiều gồm n nguồn có độ lớn mắc nối tiếp Điện áp pha-nguồn chiều đạt (n+1) giá trò khác từ nghòch lưu gọi nghòch lưu áp (n+1) bậc.Ví dụ chọn mức điện cuối dãi nguồn, mức điện áp đạt gồm (0, U, 2U, 3U, …, nU) Điện áp từ pha tải (ví dụ pha a) thông đến vò trí trên, nhờ cặp diode kẹp điểm (ví dụ D1, D1’) Để điện áp pha - nguồn DC đạt mức điện áp nêu (Ua0 = U), tất linh kiện bò kẹp hai diode (D1, D1’) – gồm n linh kiện mắc nối tiếp liên tục kề nhau, phải kích đóng, linh kiện lại phải khoá theo nguyên tắc kích đối nghòch Như hình vẽ trên, tạo sáu mức điện áp pha – nguồn DC nên mạch lưu đa bậc Với dạng biến tần này, xác đònh số tổ hợp vector điện áp sau: gọi l số nhánh pha (phase leg); N số bậc nghòch lưu, số tổ hợp vector điện áp cấu thành nghòch lưu N l Ví dụ hai bậc với nhánh pha 23 = tổ hợp; ba bậc với nhánh pha 33 = 27 tổ hợp … H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang 12 Chương 2: Hệ truyền động động KĐB - biến tần đa bậc G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ Bộ nghòch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải giảm đột biến điện áp linh kiện n lần Với nghòch lưu ba bậc, dv/dt linh kiện tần số đóng cắt giảm nửa Tuy nhiên với n > 3, mức độ chòu đột biến điện áp diode khác Ngoài ra, cân điện áp nguồn chiều (áp tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt số bậc điện áp làm việc tăng cao 2.3.1.3 Cấu trúc phối hợp (Cascaded Diode-Clamped/H-bridge Inverter: DCH Inverter) Hình 2.7 trình bày cấu trúc biến tần phối hợp Cascade NPC, cụ thể kết hợp biến tần dạng NPC ba bậc kết nối cascade cầu H năm bậc 2.3.1.4 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Inverter) Hình 2.8: trình bày cấu trúc biến tần dùng tụ điện thay đổi H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang 13 Chương 2: Hệ truyền động động KĐB - biến tần đa bậc G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ số tụ tham gia nhiều theo chiều tăng số bậc biến tần Ưu điểm biến tần dạng là: - Khi số bậc cao không cần dùng lọc - Có thể điều tiết công suất tác dụng phản kháng từ điều tiết việc phân bố công suất lưới có dùng biến tần Nhưng bên cạnh số nhược điểm sau: - Số lượng tụ công suất lớn tham gia mạch nhiều dẫn đến giá thành tăng độ tin cậy giảm - Việc điều khiển khó khăn số bậc biến tần tăng cao 2.3.1.5 Nhận xét dạng sơ đồ nghòch lưu đa bậc: Trong dạng sơ đồ vừa nêu sơ đồ có ưu nhược riêng thông dụng hai dạng: NPC Cascade Vì nhược điểm sơ đồ phối hợp NPC Cascade phức tạp phương thức điều khiển sơ đồ dạng dùng tụ thay đổi lại khó thực nhóm tụ mạch nạp với mức điện áp khác mạch làm việc với số bậc lớn 2.3.2 Phương pháp điều chế vector không gian cho biến tần đa bậc Phương pháp điều chế vector không gian phương thức thay vector điện áp pha thành vector quay không gian Như thay phải tính toán pha ta cần tính toán hệ trục α-β cho độ lớn góc pha đại lượng Điều làm phép tính đơn giản nhiều 2.3.2.1 Giản đồ vector điện áp biến tần ba bậc: Quá trình đóng cắt khoá bán dẫn tạo nên 27 trạng thái khác lục giác, trạng thái minh hoạ tổ hợp (ka, kb, kc), với giá trò ka = 0, 1, 2; kb = 0, 1, 2; kc = 0, 1, 2; hệ số trạng thái tương ứng pha a, b, c Ví dụ xét hệ số ka pha a ta có: 0  k a  1 2  : S a  S a  : S a  S a  : S a1  S a  (2.15) Trong trình kích dẫn qui luật sau phải tuân thủ: S x1 S x  S x2S x4  (2.16) Với: x = a, b, c Từ đó, ta hiểu trạng thái (200) có nghóa là: H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang 14 Chương 2: Hệ truyền động động KĐB - biến tần đa bậc G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ S a1  S a  ; S b3  S b  ; S c  S c  Như đònh nghóa vector không gian nói phần trước mục này, tương ứng 27 trạng thái kích dẫn linh kiện ta thu 19 vò trí vector không gian điện áp tạo thành bao gồm 12 vector nằm đỉnh trung điểm hình lục giác lớn bao ngoài, vector nằm đỉnh hình lục giác bên vector không nằm tâm hình lục giác (Hình 2.9) Đối với vector nằm đỉnh hình lục giác bên trong, tồn hai trạng thái kích dẫn khác linh kiện lại có chung vò trí vector không gian Ngoài tồn ba trạng thái kích dẫn khác cho vò trí vector không Hình 2.9: Giản đồ vector điện áp nghòch lưu áp bậc Về nguyên lý, phương pháp điều chế vector không gian với biến tần đa bậc thực tương tự hai bậc Để tạo vector trung   bình tương đương cho vector u cho trước, trước hết xem vector u nằm vò trí hình lục giác Để thuận tiện, thông thường diện tích hình lục giác chia nhỏ thành hình lục giác Ví dụ góc phần sáu    thứ hình lục giác giới hạn ba vector u , u u  chia nhỏ thành diện tích (1), (2), (3) (4) hình 2.10 Vector u điều khiển cần đạt giá trò cho vò trí nằm phần diện tích  Bước ta xác đònh vector không gian cần thiết – gọi vector bản, vector cần thiết để tạo nên vector trung bình nằm    diện tích  Nhìn vào hình ta thấy vector u , u u  Như vector tương đương vector u biểu diễn trì tác H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang 15 [...]... trong điều chế để điều khiển chế độ đóng cắt của các khoá bán dẫn nhằm thay đổi tốc độ động cơ thông qua việc thay đổi tần số nguồn cung cấp f1 2.2 CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KĐB - BIẾN TẦN ĐA BẬC Khi đưa vào bộ dây quấn của động cơ điện không đồng bộ (KĐB) xoay chiều 3 pha một sức điện động hình sin xoay chiều 3 pha thì nó sẽ tạo ra từ trường quay với tốc. .. truyền động H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang 5 Chương 2: Hệ truyền động động cơ KĐB - biến tần đa bậc G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KĐB - BIẾN TẦN ĐA BẬC 2.1 GIỚI THIỆU Trước đây, hầu hết các hệ thống tự động điều khiển đều sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập/song song vì loại động cơ này dễ điều khiển một cách ổn đònh hơn các loại động cơ khác... hệ truyền động động cơ không đồng bộ - biến tần điển hình Trong hệ này, một bộ nghòch lưu gồm 6 transistor chuyển nguồn một chiều sức điện động E sang điện áp 3 pha cung cấp cho động cơ điện xoay chiều không đồng bộ Để kích dẫn các khoá transistor, hiện nay với các bộ biến tần đa bậc người ta thường sử H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang 6 Chương 2: Hệ truyền động động cơ KĐB - biến tần đa bậc G.V.H.D:... các bộ biến tần tạo sóng sin ngày càng một hoàn thiện với giá thành ngày một thấp … đã tạo nên chỗ đứng vững chắc cho động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha trong hệ thống cần có sự điều chỉnh và ổn đònh tốc độ Sử dụng các bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ cho phép thay đổi tốc độ động cơ trong một khoảng rộng và trơn, có bảo vệ quá tải, khởi động “êm” (ramp start) … Bên cạnh việc thay đổi tần. .. nó sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ: n 60 f 1 p (2.1) Với: * f1 là tần số nguồn 3 pha cung cấp cho động cơ không đồng bộ * p là số đôi cực từ của bộ dây quấn stator Từ công thức tính tốc độ động cơ đã trình bày ở phần trên, có thể thay đổi tốc độ động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha theo các phương pháp sau:  Thay đổi tần số nguồn cung cấp f1: Với sự phát triển như vũ bão của công... còn một loại động cơ khác đáng để lựa chọn: đó là động cơ bước Ưu điểm nổi bật của động cơ bước là có tốc độ rất chuẩn và dễ điều khiển theo một chương trình đònh trước Tuy nhiên hiện nay vấn đề công suất chính là trở ngại lớn khi muốn thiết kế hệ thống tự động điều khiển sử dụng động cơ bước, vì vậy hiện nay trong công nghiệp chủ yếu người ta sử dụng hệ thống biến tần – động cơ không đồng bộ Hình 2.1... thay đổi tốc độ hẹp, không trơn (nhảy cấp) và không ổn đònh được tốc độ (một yêu cầu rất quan trọng hiện nay cho hệ truyền động điều tốc động cơ) Do vậy, ở đây đề tài chỉ nghiên cứu hệ thống điều tốc thông dụng nhất đó là các hệ thống điều tốc sử dụng các bộ biến tần với thiết bò đóng cắt bán dẫn 2.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ DÙNG CHO BIẾN TẦN ĐA BẬC Hiện nay trên thực tế có rất nhiều phương thức điều chế... chỉnh tốc độ đơn giản và chỉ được sử dụng đối với các động cơ không đồng bộ rotor quấn dây (vì phải có bộ dây quấn ở rotor thì mới có thể đưa vào các điện trở điều chỉnh tốc độ thông qua việc thay đổi độ trượt s  Thay đổi điện áp trên bộ dây quấn stator động cơ: Đây là phương thức có thể ứng dụng chung cho tất cả các loại động cơ điện Đối với động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha, khi thay đổi giá trò... thống biến tần - động cơ Trong thực tế cũng có rất nhiều phương thức điều chế sử dụng trong nghòch lưu áp 3 pha, như SVPWM, CBPWM, DPWM, PWM kinh điển… mỗi phương án đều có những ưu nhược riêng, không có phương án nào là tối ưu trên mọi phương diện Chính vì vậy, nên đề tài sẽ đưa ra một phương pháp kết hợp nhằm thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần đa bậc với C.M cực tiểu. .. đôi cực ta chú ý rằng số đôi cực ở stator và rotor là như nhau Nghóa là khi thay đổi số đôi cực ở stator thì ở rotor cũng phải thay đổi theo Do đó rất khó thực hiện cho động cơ rotor dây quấn, nên phương pháp này chủ yếu dùng cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc và loại H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang 7 Chương 2: Hệ truyền động động cơ KĐB - biến tần đa bậc G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ động cơ