NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU SỬ DỤNG BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ

Header Page of 16 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU SỬ DỤNG BIẾN TẦN GÓC PHẦN TƯ Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 605260 Học viên: BÙI THỊ THANH HUYỀN Người hướng dẫn khoa học: TS.TRẦN XUÂN MINH DUYỆT BAN GIÁM HIỆU KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN Ts Trần Xuân Minh Bùi Thị Thanh Huyền THÁI NGUYÊN - 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of 16 LỜI CAM ĐOAN Tôi Bùi Thị Thanh Huyền, học viên lớp cao học K10 Tự Động Hoá niên khoá 2007-2009 sau hai năm học tập nghiên cứu, đƣợc giúp đỡ thầy cô giáo đặc biệt TS Trần Xuân Minh, thầy giáo hƣớng dẫn tốt nghiệp tôi, đến cuối chặng đƣờng để kết thúc khoá học thạc sĩ Tôi định chọn đề tài tốt nghiệp là: "Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần  động xoay chiều sử dụng biến tần góc phần tư" Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn hoàn toàn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Nếu có xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Tác giả luận văn Bùi Thị Thanh Huyền Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of 16 MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ …………………………………………………………… Lời cam đoan …………………………………………………………… Mục lục ……………………………………………………………… Danh mục ký hiệu chữ viết tắt …………………………………… Danh mục bảng ……………………………………………………… Danh mục hình vẽ, đồ thị …………………………………………… MỞ ĐẦU………………………………………………………………… CHƢƠNG - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU ………………… 1.1 Các hệ thống truyền động điện dùng động xoay chiều ……… 1.1.1 Giới thiệu chung ……………………………………………… 1.1.2 Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng 1.1.3 Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động đồng ……… 1.1.4 Hệ thống điều tốc biến tần - động xoay chiều ……………… 1.2 Sơ lƣợc biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất …… 1.2.1 Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ………………… 1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp ………………………………………… 1.3 Biến tần bốn góc phần tƣ ………………………………………… 1.3.1 Các tồn biến tần thông thƣờng ………………… 1.3.2 Biến tần bốn góc phần tƣ (biến tần 4Q) ……………………… CHƢƠNG - NGHIÊN CỨU CHỈNH LƢU TÍCH CỰC PWM PHỤC VỤ CHO BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƢ……………… 2.1 Đặt vấn đề ……………………………………… 2.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc biến tần nguồn áp bốn góc phần tƣ dùng chỉnh lƣu PWM ……………………………………… 2.3 Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM ………………………………… 2.3.1 Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM ……………………… 2.3.2 Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM hệ tọa độ pha ……… 2.3.3 Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM hệ tọa độ cố định  -  2.3.4 Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM hệ tọa độ quay d – q …… 2.3.5 Tính toán công suất chỉnh lƣu PWM ………………………… 2.4 Phạm vi giới hạn tham số chỉnh lƣu PWM ……………… 2.4.1 Giới hạn cực tiểu điện áp chiều …………………… 2.4.2 Giới hạn giá trị điện áp điện cảm ……………………… 2.5 Ƣớc lƣợng đại lƣợng vector ………………………… 2.5.1 Ƣớc lƣợng vector điện áp đầu vào …………………………… 2.5.2 Ƣớc lƣợng vector từ thông ảo ………………………………… 2.6 Phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM ………………… 2.7 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp 2.7.1 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 7 11 13 13 13 14 15 15 16 16 19 25 25 27 29 29 30 33 34 35 36 37 38 39 39 39 41 41 42 46 47 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of 16 dựa vào dòng điện (VOC) …………………………… 47 2.7.2 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC …………… 49 2.8 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp trực tiếp công suất DPC …………………………………………………… 50 2.8.1 Ƣớc lƣợng công suất theo vector điện áp …………………… 52 2.8.2 Ƣớc lƣợng công suất theo vector từ thông ảo ………………… 53 2.8.3 Đặc điểm điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh lƣu PWM ……………………………………………… 54 2.8.4 Bộ điều khiển công suất ……………………………………… 55 2.8.5 Lựa chọn phân vùng vector bảng đóng cắt 57 2.8.6 Tổ hợp vector điện áp ………………………………………… 58 CHƢƠNG - NGHỊCH LƢU ĐIỀU KHIỂN VECTOR VÀ CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN Q - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ……… 60 3.1 Mô hình toán học trạng thái động động không đồng ba 60 pha 3.1.1 Mô hình toán học nhiều biến động không đồng ba pha ……………………… 60 3.1.2 Phép biến đổi tọa độ ma trận chuyển đổi ………………… 69 3.1.3 Mô hình toán học động không đồng hệ tọa độ quay pha ……………………………………………………… 81 3.1.4 Mô hình toán học động điện không đồng hệ tọa độ cố định pha …………………… 82 3.1.5 Mô hình toán học động không đồng hệ tọa độ quay đồng pha …………………… 83 3.1.6 Mô hình toán học động không đồng theo định hƣớng từ trƣờng hệ tọa độ quay đồng pha (hệ tọa độ MT) 83 3.2 Biến tần gián tiếp với nghịch lƣu điều khiển vector …………… 85 3.2.1 Mô hình động chiều tƣơng đƣơng động không đồng 86 3.2.2 Ý tƣởng cấu trúc hệ thống điều khiển vector ……………… 87 3.2.3 Phƣơng trình điều khiển vector ……………………… 88 3.2.4 Mô hình quan sát từ thông rotor …………………………… 89 3.3 Mô Hệ truyền động biến tần 4Q - ĐK …………………………… 91 3.3.1 Sơ đồ khối hệ truyền động biến tần 4Q – ĐK 91 3.3.2 Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực hệ biến tần 4Q - ĐK … 91 3.3.3 Khối điều khiển chỉnh lƣu PWM …………………………… 92 3.3.4 Khối điều khiển nghịch lƣu áp dụng nguyên lý điều khiển vector 94 CHƢƠNG - MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4Q ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 97 4.1 Mô đặc tính làm việc chỉnh lƣu PWM……………… 97 4.1.1 Xây dựng chƣơng trình mô chỉnh lƣu PWM ………… 97 4.1.2 Các kết mô chỉnh lƣu PWM ……………………… 99 4.2 Mô hệ truyền động Biến tần 4Q-động không đồng ba pha 100 4.2.1 Xây dựng sơ đồ mô hệ truyền động phần mềm Matlab 100 4.2.2 Kết mô …………………………………………… 103 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of 16 Kết luận kiến nghị 107 Tài liệu tham khảo 108       l 1 2 A B C a b c M2 T2 M1 T2 L L L Ld Lq cos C ĐK DPC f FOC i(t), i iA, iB, iC ia, ib, ic idc IL iLa,b,c DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Góc pha vector chuẩn Góc lệch trục cuộn dây rotor stator pha A Góc pha điều khiển phần chỉnh lƣu PWM Góc pha vector áp nguồn phần chỉnh lƣu PWM Góc pha dòng điện áp, góc lệch trục M trục  Tần số góc điện áp xoay chiều ba pha cấp cho động Tần số góc điện áp lƣới điện cấp cho chỉnh lƣu Tốc độ góc từ thông stator so với stator Tốc độ góc từ thông rotor so với rotor Từ thông stator pha A Từ thông stator pha B Từ thông stator pha C Từ thông rotor pha A Từ thông rotor pha B Từ thông rotor pha C Thành phần trục M (d) vector từ thông rotor Thành phần trục T (q) vector từ thông rotor Thành phần trục M (d) vector từ thông stator Thành phần trục T (q) vector từ thông stator Vector từ thông ảo Thành phần trục  vector từ thông ảo hệ trục toạ độ - Thành phần trục  vector từ thông ảo hệ trục toạ độ - Thành phần trục d vector từ thông ảo hệ trục toạ độ d-q Thành phần trục q vector từ thông ảo hệ trục toạ độ d-q Hệ số công suất Tụ điện Động không đồng ba pha Điều khiển trực tiếp công suất (viết tắt Direct Power Control) Tần số Điều khiển tựa từ trƣờng (viết tắt Field Oriented Control) Giá trị dòng điện tức thời Dòng ba pha A, B, C cuộn dây stator Dòng ba pha a, b, c cuộn dây rotor Giá trị dòng điện chiều Vector dòng điện lƣới Dòng ba pha A, B, C lƣới điện xoay chiều phần chỉnh lƣu PWM Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of 16 iL iL iLd iLq iM1 iT1 I j J Lm1 Lt1, Lt2 M Mc Mđt Mđm Mmax np P p(t), p Thành phần trục  vector dòng điện lƣới hệ trục toạ độ - Thành phần trục  vector dòng điện lƣới hệ trục toạ độ - Thành phần trục d vector dòng điện lƣới hệ trục toạ độ d-q Thành phần trục d vector dòng điện lƣới hệ trục toạ độ d-q Thành phần trục M (d) vector dòng stator động Thành phần trục q vector dòng stator động Giá trị hiệu dụng dòng điện pha động Đơn vị ảo Mô men quán tính Giá trị điện cảm; hỗ cảm cực đại cuộn dây stator động Điện cảm tản cuộn dây stator rotor Mô men, mô men động Mô men cản tác động lên trục động (mô men tải) Mô men điện từ động Mô men định mức Mô men cực đại Số đôi cực từ động Công suất tác dụng Công suất tác dụng tức thời PWM q(t), q Q R s S Sa,Sb,Sc t T Điều chế độ rộng xung (viết tắt Pulse Width Modulation) Công suất phản kháng tức thời Công suất phản kháng Điện trở Toán tử Laplace Công suất biểu kiến Trạng thái đóng cắt biến đổi Giá trị thời gian tức thời Chu kỳ Vector điện áp đặt vào động Sóng hài bậc điện áp đầu khối nghịch lƣu biến tần Thành phần trục M vector điện áp đặt vào động hệ trục toạ độ M- T Thành phần trục T vector điện áp đặt vào động hệ trục toạ độ M- T Vector điện áp lƣới Thành phần trục  vector điện áp lƣới hệ trục toạ độ  -  Thành phần trục  vector điện áp lƣới hệ trục toạ độ  -  Thành phần trục d vector điện áp lƣới hệ trục toạ độ d - q Thành phần trục q vector điện áp lƣới hệ trục toạ độ d - q Vector điện áp vào chỉnh lƣu PWM Thành phần trục  vector điện áp đầu vào chỉnh lƣu hệ trục U U1 uM1 uT1 UL uL uL uLd uLq Us us Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of 16 us usd usq Udc Va, b, c VFOC VOC W, Wđt 4Q toạ độ  -  Thành phần trục  vector điện áp đầu vào chỉnh lƣu hệ trục toạ độ  -  Thành phần trục d vector điện áp đầu vào chỉnh lƣu hệ trục toạ độ d - q Thành phần trục q vector điện áp đầu vào chỉnh lƣu hệ trục toạ độ d - q Điện áp chiều Điện nguồn ba pha cấp cho động Điều khiển định hƣớng từ thông ảo (viết tắt Virtual Flux Oriented Control) Điều khiển tựa theo điện áp lƣới (viết tắt Voltage Oriented Control) Năng lƣợng, lƣợng điện từ Bốn góc phần tƣ (viết tắt Four (4) Quater) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng B.2.1: Bảng đóng cắt cho DPC với điều khiển hai mức, 12 vùng vector ……………………………………………………………………………… 57 Bảng B.2.2 : Sự tăng giảm p, q theo U………………………………………… 58 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ………… Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp …………………………… Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều hình sin….………………………………………………………… Hình 1.4: Sóng hài bậc dòng, áp tải chế độ làm việc khâu biến tần trực tiếp………………………………… Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp………………………………………… Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian chiều…………… Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector………………………………… Hình 1.8: Các lọc để giảm sóng hài bậc cao ( số sóng hài)… Hình 1.9: Dập lượng điện trở Rh mạch chiều……… Hình 1.10: Sử dụng thêm nghịch lưu mắc song song ngược với chỉnh lưu để trả lượng lưới điện xoay chiều………………… Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM………… Hình 2.2a Sơ đồ thay pha chỉnh lưu tích cực PWM………… Hình 2.2 b Đồ thị vector tổng quát chỉnh lưu…………………… Hình 2.2 c Đồ thị vector chỉnh lưu PWM với hệ số công suất Hình 2.2 d Đồ thị vector chỉnh lưu PWM với hệ số công suất -1 (nghịch lưu)……………………………………………………………… Hình 2.3a: Đồ thị vector điện áp điều khiển chuyển mạch khoá bán dẫn Sa, Sb, Sc ……………………………………… Hình 2.3b: Các trạng thái chuyển mạch chỉnh lưu PWM…………… Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 17 17 18 18 20 21 24 25 26 26 30 31 31 31 31 32 33 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of 16 Hình 2.4: Đồ thị vector điện áp, dòng điện chỉnh lưu PWM hệ toạ độ  d-q…………………………………………………………… Hình 2.5: Cấu trúc mô hình toán học chỉnh lưu PWM hệ toạ độ ba pha………………………………………………………………………… Hình 2.6: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM hệ toạ độ - ………… Hình 2.7: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM hệ toạ độ d-q………… Hình 2.8: Đồ thị vector điện áp chỉnh lưu PWM ………………………… Hình 2.9a: Giới hạn làm việc điện áp chỉnh lưu PWM……………… Hình 2.9b: Giới hạn làm việc điện áp chỉnh lưu PWM……………… Hình 2.10: Mô hình động ảo đồ thị véc tơ từ thông ảo với chỉnh lưu PWM…………………………………………………………………… Hình 2.11: Quan hệ điện áp từ thông ảo với dòng công suất chỉnh lưu PWM …………………………………………………………… Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc nhận dạng véc tơ từ thông ảo………………… Hình 2.13: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM………………… Hình 2.14: Hệ truyền động động xoay chiều - biến tần dùng chỉnh lưu PWM với phương pháp điều khiển ………………………………… Hình 2.15: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC ……………… Hình 2.16: Cấu trúc mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC………………………………………………………………………… Hình 2.17: Cấu trúc mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC……………………………………………………………………… Hình 2.18: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo DPC……………… Hình 2.19: Khâu ước lượng công suất điện áp ………………………… Hình 2.20: Khâu ước lượng p, q theo vector  L …………………………… Hình 2.21: Sự biến thiên giá trị công suất tức thời ………………………… Hình 2.22: Bộ điều khiển công suất ………………………………………… Hình 2.23: Phân vùng vector cho phương pháp điều khiển DPC………… Hình 2.24: Biến đổi vector điện áp…………………………………………… Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển nhiều biến động không đồng Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điều tốc biến tần động không đồng nhiều biến …………………………………………… Hình 3.3: Mô hình vật lý động không đồng pha ………………… Hình 3.4: Mô hình vật lý động điện chiều hai cực: F- cuộn dây kích từ, A - cuộn dây rotor, C- cuộn dây bù ………………………… Hình 3.5: Mô hình vật lý cuộn dây động điện xoay chiều, mô hình tương đương mô hình động điện chiều…………………… Hình 3.6: Vị trí vector không gian hệ toạ độ pha pha với sức từ động cuộn dây ……………………………………………… Hình 3.7: Hệ toạ độ cố định hệ toạ độ quay pha vector không gian sức từ động ………………………………………………………… Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc biến đổi tọa độ động không đồng bộ: 3/2) Biến Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 34 35 37 38 39 40 41 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 55 56 57 59 61 61 62 69 71 74 78 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of 16 đổi pha/2 pha; VR) Biến đổi quay đồng bộ; ) Góc trục M trục  (trục A)………………………………………………… 86 Hình 3.9: Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vector ………………… 87 Hình 3.10: Mô hình quan sát từ thông hệ toạ độ quay hai pha theo định hướng từ trường …………………………………………………… 90 Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - ĐK…………… 91 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý phần lực hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM - động không đồng ba pha…… 92 Hình 3.13: Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC………… 93 Hình 3.14: Cấu trúc nghịch lưu điều khiển vector định hướng từ thông rotor……………………………………………………………………… 96 Hình 4.1: Sơ đồ mô chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC ……………………… 98 Hình 4.2: Sơ đồ mô chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp VOC(khối “Subsytrem”) mô hình hình 4.1 98 Hình 4.3: Chi tiết khối “PLECS circuit” mô hình hình 4.1 99 Hình 4.4: Điện áp chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC 99 Hình 4.5: Điện áp dòng điện pha A chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC 99 Hình 4.6: Điện áp dòng điện pha A chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC thời gian chu kỳ nguồn 100 Hình 4.7: Dòng chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC thời gian 1/6 chu kỳ nguồn 100 Hình 4.8: Cấu trúc điều khiển vector vùng tần số f = fđm 101 Hình 4.9: Sơ đồ mô hệ truyền động điện biến tần 4Q-động không đồng ba pha 102 Hình 4.10: Sơ đồ mô chi tiết phần điều khiển nghịch lưu theo FOC (khối “INVERTER” mô hình hình 4.9 102 Hình 4.11: Chi tiết khối “PLECS circuit” mô hình hình 4.9 103 Hình 4.12: Tốc độ góc động khởi động điều chỉnh tải để chuyển chế độ làm việc, với giá trị đặt tốc độ 100 rad/s………… 104 Hình 4.13: Sự điều chỉnh mô men tải động khởi động chuyển động sang trạng thái hãm tái sinh chế độ tốc độ ổn định (tại t=1s)…………………………………………………………… 104 Hình 4.14: Điện áp dòng điện lưới pha A cấp cho chỉnh lưu PWM trước sau thời điểm điều chỉnh mô men tải (tại t=1s) để chuyển chế độ làm việc động từ trạng thái động sang hãm tái sinh……………………………………………………………………… 105 Hình 4.15: Tốc độ góc động khởi động điều chỉnh giảm tốc từ 100 105 rad/s xuống 80 rad/s …………………………………… ………… Hình 4.16: Điện áp dòng điện lưới pha A cấp cho chỉnh lưu PWM trước sau thời điểm điều chỉnh giảm tốc từ 100 rad/s xuống 80 rad/s (tại t=1s) 106 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 10 of 16 11 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong công nghiệp nhiều máy sản xuất yêu cầu phải điều chỉnh tốc độ động truyền động với phạm vi rộng chất lượng điều chỉnh tốt Với đời phát triển hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động không đồng ba pha phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp cho mạch stator nhờ biến tần giải nhiều vấn đề mà thực tế sản xuất yêu cầu Tuy nhiên biến tần tồn số nhược điểm ảnh hưởng nhiều đến lưới điện công nghiệp, đặc biệt công suất hệ truyền động lớn, phần lớn hệ truyền động biến tần-động xoay chiều chưa cho phép động làm việc chế độ hãm tái sinh Việc xây dựng biến tần khắc phục tồn nêu yêu cầu kỹ thuật cấp bách Mục đích nghiên cứu Đề tài có mục tiêu nghiên cứu: xây dựng hệ truyền động điện biến tần- động xoay chiều cho phép động làm việc bốn góc phần tư cải thiện chất lượng dòng điện qua lưới Đối tượng phạm vi nghiên cứu Xây dựng cấu trúc phần chỉnh lưu nghịch lưu biến tần gián tiếp Xây dựng cấu trúc tổng thể hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư (4Q)-động xoay chiều không đồng ba pha Thực mô để kiểm nghiệm kết phân tích, tính toán lý thuyết Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Đây đề tài nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực truyền động điện tự động Đề tài xây dựng hệ thống truyền động điện động xoay chiều có chất lượng cao hệ thống có Kết cấu luận văn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 10 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 95 of 16 95 - MHTT mô hình quan sát từ thông, có chức tính toán giá trị từ thông rotor (2  M2 ) góc vector từ thông rotor với trục chuẩn (); - CTĐi khâu chuyển tọa độ dòng điện stator từ hệ tọa độ  sang hệ tọa độ MT; - TH khâu tạo hàm, tạo giá trị đặt từ thông rotor theo giá trị tốc độ góc rotor; - ĐCTT điều chỉnh từ thông, cho tín hiệu giá trị đặt thành phần sinh từ thông dòng điện stator hệ tọa độ MT; - ĐCĐ khâu điều chỉnh đa thông số, có nhiệm vụ tính giá trị đặt thành phần điện áp stator hệ tọa độ MT; - CTĐu khối chuyển đổi tọa độ điện áp từ hệ  sang hệ tọa độ MT; - ĐCVTKG khâu điều chế vector không gian, tính toán tạo xung điều khiển van nghịch lƣu từ giá trị yêu cầu điện áp stator hệ tọa độ  ( u*1 ,u*1 ) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 95 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 96 of 16 96 TH  ĐCTT '* M2 Udc i*M1 ĐCD u *M1 u *T1   ' M2 VR -1 u*A SPWM u *1 u*1 u*B u*C 3~  A B C   i1 iM1 iT1 * CTĐu MHTT  VR i1 iA iB CTĐi i*T1  ĐCTĐQ §K Máy đo tốc độ quay Hình 3.14: Cấu trúc nghịch lưu điều khiển vector định hướng từ thông rotor Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 96 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 97 of 16 97 Chương4 MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN Q - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 4.1 MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA CHỈNH LƢU PWM Để thực trình mô đặc tính hệ truyền động biến tần 4Q-ĐK nhằm kiểm nghiệm phân tích lý thuyết chứng minh khả hệ truyền động, trƣớc tiên, tiến hành mô để kiểm chứng tính ƣu việt chỉnh lƣu PWM, đồng thời để kiểm chứng cấu trúc điều khiển khối chỉnh lƣu PWM 4.1.1 Xây dựng chương trình mô chỉnh lưu PWM Dựa vào mô tả toán học chỉnh lƣu PWM, phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM cấu trúc tƣơng ứng, ứng dụng phần mềm PLECS MATLAB ta xây dựng đƣợc mô hình mô cho chỉnh lƣu PWM Để đánh giá chỉnh lƣu PWM, mô chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp điều khiển phƣơng pháp điều khiển theo VOC Trong phần này, để đánh giá điện áp chiều đầu ra, chất lƣợng dòng điện lƣới hệ số công suất chỉnh lƣu PWM, ta nghiên cứu làm việc chỉnh lƣu với tải điện trở có điều chỉnh Dựa vào cấu trúc trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VOC đƣợc mô tả hình 2.15, sử dụng phần mềm MATLAB xây dựng đƣợc sơ đồ (chƣơng trình) mô cho trƣờng hợp nhƣ hình 4.1, hình 4.2 hình 4.3 sơ đồ mô chi tiết phần điều khiển chỉnh lƣu theo phƣơng pháp VOC (khối “Subsystem”) phần mạch lực (khối “PLECS circuit”) Các thông số nguồn tải xây dựng chƣơng trình mô đƣợc chọn: nguồn xoay chiều ba pha có tần số 50Hz, điện áp pha 220V; giá trị đặt điện áp chỉnh lƣu đầu Udc bắt đầu mô (t=0) 600V tải điện trở 30; t=0.2s tăng giá trị đặt điện áp chỉnh lƣu lƣợng Udc=100V; Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 97 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 98 of 16 98 t=0.4s tăng tải cách nối song song thêm vào điện trở tải điện trở khác có giá trị 60 Hình 4.1: Sơ đồ mô chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC Hình 4.2: Sơ đồ mô chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp VOC(khối “Subsytrem”) mô hình hình 4.1 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 98 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 99 of 16 99 Hình 4.3: Chi tiết khối “PLECS circuit” mô hình hình 4.1 4.1.2 Các kết mô chỉnh lưu PWM Trên hình 4.4 biểu diễn điện áp chiều sau chỉnh lƣu, từ đồ thị Udc cho thấy, trình khởi động chỉnh lƣu diễn thời gian ngắn, thay đổi giá trị điện áp thay đổi giá trị đặt diễn nhanh, điện áp bám sát giá trị đặt với sai lệch không đáng kể, điểm cần quan tâm giá trị điện áp chiều đầu cao giá trị điện áp chỉnh lƣu ốt thông thƣờng, điều đáp ứng đƣợc yêu cầu điện áp chiều cao mà không cần phải dùng máy biến áp tăng áp Hình 4.5, 4.6 biểu diễn điện áp dòng điện pha nguồn xoay chiều (pha ua(V), ia(A) Udc(V) 800 400 700 300 600 200 500 400 100 300 -100 200 -200 100 t(s) -300 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -400 t(s) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Hình 4.5: Điện áp dòng điện pha A Hình 4.4: Điện áp chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 99 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 100 of 16 100 ua(V), ia(A) idc(A) 400 35 ua 300 200 30 25 ia 100 20 15 -100 10 -200 -300 -400 t(s) 0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 Hình 4.6: Điện áp dòng điện pha A chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC thời gian chu kỳ nguồn t(s) 0.400 0.417 0.433 Hình 4.7: Dòng chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC thời gian 1/6 chu kỳ nguồn A) Các đồ thị cho thấy, dòng điện nguồn có dạng gần với hình sin; chế độ khác đạt đƣợc hệ số công suất cos =1 (dòng điện trùng pha với điện áp) 4.2 MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN 4Q-ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 4.2.1 Xây dựng sơ đồ mô hệ truyền động phần mềm Matlab Để đánh giá đầy đủ hệ truyền động nhƣ biến tần bốn góc phần tƣ sử dụng chỉnh lƣu PWM, ta tiến hành mô làm việc hệ truyền động biến tần 4Q - động xoay chiều không đồng ba pha rotor lòng xóc Trong hệ thống này, phần điều khiển chỉnh lƣu PWM áp dụng phƣơng pháp điều khiển VOC, phần nghịch lƣu sử dụng phƣơng pháp điều khiển vector định hƣớng theo từ thông rotor Phần điều khiển nghịch lƣu đƣợc xây dựng dựa cấu trúc đƣợc mô tả hình 3.14 có sửa đổi chút quan điểm thực mô làm việc hệ vùng tần số biến tần nằm khoảng từ tần số định mức động trở xuống Với vùng tần số dƣới tần số yêu cầu thực trì từ thông rotor số, cấu trúc điều khiển chọn giá trị đặt thành phần sinh từ thông dòng stator số Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 100 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 101 of 16 101 i*M1  const ĐCD u *M1 u *T1 CTĐu VR -1 u*A SPWM u *1 u*B u*1 u*C    iT1 * MHTT i*T1  i1 iM1  ĐCTĐQ VR i1 iA iB iC CTĐi  H×nh 4.8: CÊu tróc ®iÒu khiÓn vector vïng tÇn sè f ≤ f®m ( i*M1  const ) giá trị đƣợc lựa chọn theo dòng từ hóa động Cấu trúc điều khiển nghịch lƣu trƣờng hợp đƣợc mô tả hình 4.8 Sử dụng phần mềm PLECS chạy môi trƣờng MATLAB xây dựng đƣợc sơ đồ (chƣơng trình) mô hệ truyền động nhƣ hình 4.9, 4.10, 4.11 Tham số động đƣợc lựa chọn để thực trình mô hệ truyền động: Công suất định mức Pđm=1.5KW; số đôi cực từ np=3; điện áp định mức pha stator U1đm=220V; dòng điện định mức pha stator I1đm=4.5A; điện trở pha stator R1=3.5; điện trở pha rotor quy đổi stator R2=4.0; điện cảm tản pha stator Lt1=10mH; điện cảm tản pha rotor quy đổi stator Lt2=9mH; điện cảm hỗ cảm cực đại Lm1=200mH; Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 101 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 102 of 16 102 Hình 4.9: Sơ đồ mô hệ truyền động điện biến tần 4Q-động không đồng ba pha Hình 4.10: Sơ đồ mô chi tiết phần điều khiển nghịch lưu theo FOC (khối “INVERTER” mô hình hình 4.9 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 102 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 103 of 16 103 Hình 4.11: Chi tiết khối “PLECS circuit” mô hình hình 4.9 4.2.2 Kết mô 4.2.2.1 Mô trình khởi động chế độ hãm tái sinh động Thực mô trình khởi động động từ tốc độ không đến tốc độ góc 100 rad/s với mô men tải thay đổi Tại t=1s (khi kết thúc khởi động, thay đổi mô men tải sang âm (tức tác động mô men chiều với chiều quay rotor) để kiểm tra khả làm việc động trạng thái hãm tái sinh Các kết mô đƣợc mô tả hình 4.12 đến 4.14 Từ kết mô cho thấy, tốc độ động đƣợc trì theo giá trị đặt mô men tải đổi dấu (hình 4.12); dòng điện nguồn xoay chiều cấp cho chỉnh lƣu PWM thay đổi pha góc 1800, tức chỉnh lƣu làm việc chế độ nghịch lƣu, thực chuyển công suất từ phía động lƣới điện (hình 4.14) với giá trị hệ số công suất (cos = -1) Kết mô chứng minh khả làm việc chế độ hãm tái sinh chế độ ổn định hệ thống Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 103 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 104 of 16 104  (rad/s) 100 80 60 40 20 t (s) 0 0.25 0.5 0.75 1.25 1.5 Hình 4.12: Tốc độ góc động khởi động điều chỉnh tải để chuyển chế độ làm việc, với giá trị đặt tốc độ 100 rad/s Mc (Nm) 10 -2 -4 -6 -8 -10 t (s) 0.25 0.5 0.75 1.25 1.5 Hình 4.13: Sự điều chỉnh mô men tải động khởi động chuyển động sang trạng thái hãm tái sinh chế độ tốc độ ổn định (tại t=1s) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 104 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 105 of 16 105 uLa (V), iLa (A) uLa (V) 200 Thời điểm chuyển chế độ 150 100 iLa (A) 50 -50 -100 -150 -200 t (s) 0.9 0.95 1.0 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 Hình 4.14: Điện áp dòng điện lưới pha A cấp cho chỉnh lưu PWM trước sau thời điểm điều chỉnh mô men tải (tại t=1s) để chuyểnchế độ làm việc động từ trạng thái động sang hãm tái sinh 4.2.2.2 Mô trình khởi động điều chỉnh tốc độ  (rad/s) 100 80 60 40 20 t (s) 0 0.25 0.5 0.75 1.25 1.5 Hình 4.15: Tốc độ góc động khởi động điều chỉnh giảm tốc từ 100 rad/s xuống 80 rad/s Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 105 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 106 of 16 106 Cũng mô trình khởi động động từ tốc độ không đến tốc độ góc 100 rad/s với mô men tải không đổi Tại t=1.2s, thực giảm tốc độ lƣợng 20 rad/s để kiểm tra tình trạng làm việc hệ thống điều chỉnh giảm tốc uLa (V), iLa (A) 200 uLa (V) 150 100 iLa (A) 50 -50 -100 -150 -200 0.9 t (s) 0.95 1.0 1.05 1.1 1.15 1.2 Hình 4.16: Điện áp dòng điện lưới pha A cấp cho chỉnh lưu PWM trước sau thời điểm điều chỉnh giảm tốc từ 100 rad/s xuống 80 rad/s (tại t=1s) Kết luận: Từ kết mô số chế độ đặc trƣng chỉnh lƣu PWM hệ truyền động biến tần 4Q-động không đồng cho thấy, sử dụng chỉnh lƣu PWM để xây dựng biến tần bốn góc phần tƣ đáp tốt yêu cầu mà mục tiêu đề tài đặt Hệ truyền động có khả đảm bảo làm việc tốt động bốn góc phần tƣ hệ tọa độ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 106 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 107 of 16 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Việc sử dụng chỉnh lƣu tích cực PWM làm khối chỉnh lƣu biến tần cho phep biến tần hệ truyền động động xoay chiều ứng dụng loại biến tần đạt đƣợc nhiều tính ƣu việt mà biến tần thông thƣờng khác không có: - Giảm đến mức thấp sóng hài bậc cao dòng điện lƣới - Có khả tạo đƣợc hệ số công suất lƣới điện theo yêu cầu - Có khả điều chỉnh ổn định tốt điện pá phần chiều, giảm bớt ảnh hƣởng dao động điện áp lƣới điện đến biến tần - Động làm việc đƣợc chế độ, đặc biệt chế độ hãm tái sinh kể chế độ ổn định độ, cho phép áp dụng hệ truyền động biến tần 4Q-động xoay chiều với nhiều loại tải khác nhau, tiết kiệm lƣợng nhiều trƣờng hợp KIẾN NGHỊ - Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện để áp dụng vào thực tế - Nghiên cứu tìm thêm ứng dụng khác chỉnh lƣu PWM Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 107 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 108 of 16 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Trần Khánh Hà (1997), Máy điện tập 1, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Bùi Quốc Khánh, NguyễnVăn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dƣơng Văn Nghi (2002), Tự động điều chỉnh truyền động điện, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2007), Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Trần Thọ, Võ Quang Lạp (biên khảo); Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện; Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội,2004 Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang, (2003) MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội TiÕng Anh C Daoshen and B K Bose (1992), “Expert system based automated selection of industrial AC drives”, IEE IAS Annu Meet Conf Rec., pp 387-392 S M Chhaya and B K Bose (1992), “Expert system based automated design technique of a voltage-fed inverter for induction motor drive”, IEE IAS Annu Meet Conf Rec., pp 770-778 S M Chhaya and B K Bose (1992), “Expert system based automated design technique of a voltage-fed inverter for induction motor drive”, IEE IAS Annu Meet Conf Rec., pp 770-778 10 S M Chhaya and B K Bose (1995), “Expert system aided automated design, simulation and controller tuning of ac drive system”, IEE IECON Conf Rec., pp 712-718 11 Mariusz Malinowski (2001), Sensorless Control Strategies for Three Phase PWM Rectifiers, Warsaw, Poland 12 P Barrass, M Cade (1999), PWM rectifier using indirect voltage sensing, Proc.IEE-Elect Power Applicat., 146 (5), 539-544 13 Plexim GmbH, PLECS - Piece-wise Linear Electrical Circuit Simulation for Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 108 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 109 of 16 109 Simulink, User Manual, ver 1.2 14 The Mathworks, Simulink-Dynamic System Simulation for Matlab, Help file in Matlab7.01 R14 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 109 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn ... vụ cho biến tần bốn góc phần tư Chương 3: Nghịch lưu điều khiển vector cấu trúc hệ truyền động điện biến tần 4Q - động không đồng ba pha Chương 4: Mô hệ truyền động điện biến tần 4Q - ộng không... đích nghiên cứu Đề tài có mục tiêu nghiên cứu: xây dựng hệ truyền động điện biến tần- động xoay chiều cho phép động làm việc bốn góc phần tư cải thiện chất lượng dòng điện qua lưới Đối tư ng... Tôi định chọn đề tài tốt nghiệp là: "Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần  động xoay chiều sử dụng biến tần góc phần tư" Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn