Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần bốn góc phần tư - động cơ không đồng bộ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƢ – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Ngành: Mã số: Học viên: Ngƣời HD Khoa học: TỰ ĐỘNG HOÁ CHÂU TÂN ĐỨC TS TRẦN XUÂN MINH THÁI NGUYÊN – 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP ***** CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƢ – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Học viên : CHÂU TÂN ĐỨC Lớp : Cao học K11-TĐH Cán HDKH: TS TRẦN XUÂN MINH CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN TS Trần Xuân Minh Châu Tân Đức BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi Châu Tân Đức, học viên lớp cao học Tự Động Hoá niên khoá 2008-2010 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 sỹ Tôi định chọn đề tài tốt nghiệp là: "Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần bốn góc phần tƣ – động không đồng " Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu cá nhân dƣới hƣớng dẫn TS Trần Xuân Minh tham khảo tài liệu đƣợc liệt kê Tôi không chép công trình nhân khác dƣới hình thức Nếu có xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Ngƣời cam đoan Châu Tân Đức Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 10 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 13 1.1 Các hệ thống truyền động điện dùng động xoay chiều 13 1.1.1 Giới thiệu chung 13 1.1.2 Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng 14 1.1.3 Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động đồng 16 1.1.4 Hệ thống điều tốc biến tần - động xoay chiều 16 1.2 Sơ lƣợc biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất 18 1.2.1 Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) 18 1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp 21 1.3 Biến tần bốn góc phần tƣ 28 1.3.1 Các tồn biến tần thông thƣờng 28 1.3.2 Biến tần bốn góc phần tƣ (biến tần 4Q) 31 Chƣơng 2: TÌM HIỂU VỀ CHỈNH LƢU TÍCH CỰC PWM 34 2.1 Đặt vấn đề 34 2.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc biến tần nguồn áp bốn góc phần tƣ dùng chỉnh lƣu PWM 35 2.3 Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM 39 2.3.1 Mô tả điện áp dòng điện nguồn lƣới 39 2.3.2 Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM 40 2.3.3 Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM hệ tọa độ ba pha 41 2.3.4 Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM hệ tọa độ cố định (α-β) 42 2.3.5 Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM hệ tọa độ quay (d-q) 43 2.4 Phạm vi giới hạn tham số chỉnh lƣu PWM 46 2.5 Ƣớc lƣợng đại lƣợng vector 49 2.5.1 Ƣớc lƣợng vector điện áp đầu vào 49 2.5.2 Ƣớc lƣợng vector từ thông ảo 50 2.6 Phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM 52 2.6.1 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp VOC 55 2.6.2 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp VFOC 59 2.6.3 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp DPC 60 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chƣơng 3: XÂY DỰNG CẤU TRÖC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU VÀ CẤU TRÖC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4Q - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 72 3.1 Cấu trúc điều khiển nghịch lƣu 72 3.1.1 Các vấn đề điều khiển nghịch lƣu 72 3.1.2 Điều khiển DTC cho nghịch lƣu nguồn áp động không đồng 74 3.2 Cấu trúc hệ truyền động điện biến tần 4Q - động không đồng 92 3.2.1 Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - động không đồng 92 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực hệ biến tần 4Q – động không đồng 93 3.2.3 Khối điều khiển chỉnh lƣu 93 3.2.4 Khối điều khiển nghịch lƣu 95 3.3 Mô hệ truyền động điện biến tần 4Q - động không đồng 97 3.3.1 Xây dựng sơ đồ mô 97 3.3.2 Các kết mô đạt đƣợc 99 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT x(t), x Giá trị tức thời X*, x* Giá trị đặt  Góc pha vector chuẩn  Hệ số công suất  Góc pha dòng điện  Vận tốc góc  Góc pha  Góc pha điều khiển cos  Hệ số công suất f Tần số i(t), i Giá trị dòng điện tức thời j Đơn vị ảo X, x Sai lệch kP, kI Hệ số khuyếch đại, hệ số tích phân p(t), p Công suất tác dụng tức thời q(t), q Công suất phản kháng tức thời t Giá trị thời gian tức thời v(t), v Giá trị điện áp tức thời L Vector từ thông ảo L Thành phần vector từ thông ảo hệ trục toạ độ  -  L Thành phần vector từ thông ảo hệ trục toạ độ  -  Ld Thành phần vector từ thông ảo hệ trục toạ độ d - q Lq Thành phần vector từ thông ảo hệ trục toạ độ d - q uL Vector điện áp lƣới Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn uL Thành phần vector điện áp lƣới hệ trục toạ độ  -  uL Thành phần vector điện áp lƣới hệ trục toạ độ  -  uLd Thành phần vector điện áp lƣới hệ trục toạ độ d - q uLq Thành phần vector điện áp lƣới hệ trục toạ độ d - q iL Vector dòng điện lƣới iL Thành phần vector dòng điện lƣới hệ trục toạ độ  -  iL Thành phần vector dòng điện lƣới hệ trục toạ độ  -  iLd Thành phần vector dòng điện lƣới hệ trục toạ độ d - q iLq Thành phần vector dòng điện lƣới hệ trục toạ độ d - q uS, uconv Vector điện áp vào chỉnh lƣu uS Thành phần vector điện áp vào chỉnh lƣu hệ trục toạ độ  -  uS Thành phần vector điện áp vào chỉnh lƣu hệ trục toạ độ  -  uSd Thành phần vector điện áp vào chỉnh lƣu hệ trục toạ độ d - q uSq Thành phần vector điện áp vào chỉnh lƣu hệ trục toạ độ d - q udc Giá trị điện áp chiều idc Giá trị dòng điện chiều Sa,Sb,Sc, Trạng thái đóng cắt biến đổi C Giá trị điện dung tụ điện I Giá trị hiệu dụng dòng điện L Giá trị điện cảm R Giá trị điện trở S Công suất biểu kiến T Chu kỳ P Công suất tác dụng Q Công suất phản kháng Z Tổng trở kháng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4Q Bốn góc phần tƣ (viết tắt Four Quater) DPC Điều khiển trực tiếp công suất (viết tắt Direct Power Control) DTC Điều khiển trực tiếp mômen (viết tắt Direct Toque Control) DPF Hệ số công suất dịch chuyển (viết tắt Displacement Power Factor) FOC Điều khiển tựa từ trƣờng (viết tắt Field Oriented Control) IM Động cảm ứng (viết tắt Induction Motor) PF Hệ số công suất (viết tắt Power Factor) PWM Điều chế độ rộng xung (viết tắt Pulse Width Modulation) Te Mômen điện từ VOC Điều khiển tựa theo điện áp lƣới (viết tắt Voltage Oriented Control) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Bảng đóng cắt cho DPC với điều khiển mức, 12 vùng vector 70 Bảng 2.2: Sự tăng giảm p q theo vector điện áp đƣợc chọn 71 Bảng 3.1: Bảng chọn vector chuyển điện áp tối ƣu 85 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Bộ biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) 18 Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp 18 Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu biến tần trực tiếp hình sin 19 Hình 1.4: Sóng hài bậc dòng, áp tải chế độ làm việc khâu biến tần 21 Hình 1.5: Bộ biến tần gián tiếp 22 Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian chiều 23 Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector 27 Hình 1.8: Các lọc để giảm sóng hài bậc cao ( số sóng hài) 29 Hình 1.9: Dập lƣợng điện trở Rh mạch chiều 30 Hình 1.10: Sử dụng thêm nghịch lƣu mắc song song ngƣợc với chỉnh lƣu để trả lƣợng lƣới điện xoay chiều 30 Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần tƣ dùng chỉnh lƣu PWM 35 Hình 2.2: Sơ đồ thay pha đồ thị vector 36 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.3a: Đồ thị vector điện áp điều khiển chuyển mạch khoá bán dẫn Sa, Sb, Sc 37 Hình 2.3b: Các trạng thái chuyển mạch chỉnh lƣu PWM 38 Hình 2.4: Mối quan hệ vector chỉnh lƣu PWM 39 Hình 2.5: Mô hình toán học chỉnh lƣu PWM hệ toạ độ ba pha tự nhiên 42 Hình 2.6: Mô hình toán học chỉnh lƣu PWM hệ toạ độ tĩnh α-β 43 Hình 2.7: Mô hình toán học chỉnh lƣu PWM hệ tọa độ quay d-q 44 Hình 2.8: Dòng công suất biến đổi AC/DC hai chiều phụ thuộc vào hƣớng iL 46 Hình 2.9: Vị trí tức thời vector 47 Hình 2.10: Giới hạn làm việc chỉnh lƣu PWM 47 Hình 2.11: Mô hình động ảo đồ thị vector từ thông ảo với chỉnh lƣu PWM 50 Hình 2.12: Quan hệ điện áp từ thông với chiều dòng công suất chỉnh lƣu PWM 51 Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc nhận dạng vector từ thông ảo 52 Hình 2.14: Phân loại phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM 54 Hình 2.15: Mối quan hệ điều khiển chỉnh lƣu PWM phía lƣới nghịch lƣu PWM phía cấp cho động 54 Hình 2.16: Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VOC 55 Hình 2.17: Đồ thị vector VOC Sự biến đổi tọa độ dòng, điện áp lƣới điện áp đầu vào chỉnh lƣu từ hệ trục toạ độ - sang hệ trục toạ độ d-q 57 Hình 2.18: Điền khiển tách dòng điện đầu vào chỉnh lƣu PWM 59 Hình 2.19: Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC 60 Hình 2.20: Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo DPC 61 Hình 2.21: Khâu ƣớc lƣợng công suất điện áp 63 Hình 2.22: Khâu ƣớc lƣợng p, q theo vector từ thông ảo 66 Hình 2.23: Sự biến thiên giá trị công suất tức thời 67 Hình 2.24: Bộ điều khiển công suất 68 Hình 2.25: Phân vùng vector cho phƣơng pháp điều khiển DPC 69 Hình 2.26: Sự biến đổi vector không gian điện áp biến đổi 70 Hình 3.1: Vector không gian từ thông móc vòng stator dòng điện stator 75 Hình 3.2: Vector không gian từ thông móc vòng stator, từ thông móc vòng rotor, dòng điện stator 77 Hình 3.3: Trạng thái thay đổi vector từ thông stator áp đặt vector điện áp 78 Hình 3.4: Vector không gian điện áp chuyển 80 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.5: Điều khiển vector không gian từ thông stator: quỹ tích vector không gian từ thông stator [mức thay đổi từ thông stator  s  ], vector chuyển nghịch lƣu 81 Hình 3.6: Các vị trí khác vector không gian từ thông stator, lựa chọn tối ƣu vector điện áp chuyển FI: từ thông tăng; FD: từ thông giảm; TI: mô men tăng; TD: mô men giảm 84 Hình 3.7: Cấu trúc điều khiển DTC dựa từ thông stator hệ truyền động động không đồng với nghịch lƣu nguồn áp 89 Hình 3.8: Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q–động không đồng 92 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực hệ truyền động điện biến tần bốn góc phần tƣ dùng chỉnh lƣu PWM - động không đồng 93 Hình 3.10: Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VOC 94 Hình 3.11: Cấu trúc điều khiển nghịch lƣu PWM theo DTC 96 Hình 3.12: Mô hình mô hệ truyền động điện biến tần 4Q – động không đồng ba pha 97 Hình 3.13: Mô hình mạch lực (khối PLECS Circuit) 98 Hình 3.14: Mô hình mạch điều khiển chỉnh lƣu theo VOC 98 Hình 3.15: Mô hình mạch điều khiển nghịch lƣu theo DTC 99 Hình 3.16: Quỹ đạo từ thông 99 Hình 3.17: Tốc độ động trình khởi động giảm tốc 100 Hình 3.18: Mô men động trình khởi động giảm tốc 100 Hình 3.19: Dòng điện điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM ổn định 101 Hình 3.20: Dòng điện điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM giảm tốc 101 Hình 3.21: Mô men động trình mô men tải đổi dấu 102 Hình 3.22: Dòng điện điện áp đầu vào chỉnh lƣu mô men tải đổi dấu 102 Hình 3.23: Tốc độ động trình mô men tải đổi dấu 103 Hình 3.24: Điện áp chiều mô men tải đổi dấu 103 Hình 3.25: Dòng điện stator mô men tải đổi dấu 104 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... áp động không đồng 74 3.2 Cấu trúc hệ truyền động điện biến tần 4Q - động không đồng 92 3.2.1 Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - động không đồng 92 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý phần. .. NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƢ – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Học viên : CHÂU TÂN ĐỨC Lớp : Cao học K11-TĐH Cán HDKH: TS TRẦN XUÂN MINH CÁN BỘ HƢỚNG... hệ truyền động động không đồng với nghịch lƣu nguồn áp 89 Hình 3.8: Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q động không đồng 92 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực hệ