Nghiên cứu xây dựng thiết bị khởi động mềm dùng phương pháp điều chế độ rộng xung

Luận văn tốt nghiệp LỜI CAM ĐOAN Tên Giáp Văn Hội, học viên cao học lớp Điều khiển Tự động hóa, khóa 2013B Sau năm học tập, nghiên cứu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, hướng dẫn thầy cô giáo, đặc biệt TS Đỗ Mạnh Cường, hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp Đề tài luận văn tốt nghiệp là: “Nghiên cứu, xây dựng thiết bị khởi động mềm dùng phương pháp điều chế độ rộng xung” Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu cá nhân tơi hướng dẫn TS Đỗ Mạnh Cường tham khảo tài liệu liệt kê Tôi không chép cơng trình cá nhân khác hình thức Nếu có tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Người cam đoan Giáp Văn Hội Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Chương – TỔNG QUAN VỀ KHỞI ĐỘNG MỀM 1.1 Kỹ thuật khởi động mềm dừng mềm 10 1.1.1.Khởi động mềm 10 1.1.2.Dừng mềm 11 1.1.2.Tiết kiệm lượng non tải 12 1.2 Phương pháp điều áp khởi động mềm truyền thống 12 1.2.1 Phương pháp điều khiể n góc pha 12 1.2.2 Khởi động mềm bằ ng biến tầ n 18 Chương – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM 24 2.1 Tổng quát kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM 24 2.1.1 Một số tiêu đánh giá kỹ thuật PWM 24 2.1.2 Các dạng sóng mang dùng kỹ thuật PWM 25 2.2 Băm xung điện áp xoay chiều pha (single – phase AC choppper) 27 2.2.1 Buck AC chopper 31 2.2.2 Boost AC chopper 33 2.2.3 Buck – Boost AC chopper 35 2.3 Băm xung điện áp xoay chiều ba pha (three – phase AC chopper) 36 Luận văn tốt nghiệp Chương – MƠ HÌNH HÓA VÀ TÍ NH TỐN CÁC PHẦN TỬ 38 3.1 Phương pháp trung biǹ h không gian trạng thái 38 3.2 Mơ hình tốn ho ̣c Buck AC chopper 41 3.3 Mơ hình tốn ho ̣c Boost AC chopper 44 3.4 Mô hình toán ho ̣c Buck – Boost AC chopper 47 Chương - MÔ PHỎNG VỚI MATLAB/SIMULINK 51 KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - Transistor hiệu ứng trường IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor - Tranzito lưỡng cực có cổng cách ly PWM: Pulse Width Modulation – Phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM: Sin Pulse Width Modulation – Phương pháp điều chế độ rộng xung sin SVPWM: Space Vector Pulse Width Modulation - Phương pháp điều chế độ rộng xung vector không gian DC: Direct Current – Điện chiều AC: Alternating Current – Điện xoay chiều THD: Total Harmonic Distortion – Méo hài tổng APOD: Alternative Phase Opposition Disposition – sóng mang dạng tam giác bố trí dịch pha 1800 PD: In Phase Disposition - Sóng mang dạng tam giác bố trí pha POD: Phase Opposition Disposition - Sóng mang dạng tam giác bố trí đối xứng qua trục zero Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Điện áp theo trạng thái van mạch Buck AC chopper 32 Bảng 2.2 Điện áp trạng thái van mạch Boost AC chopper 34 Bảng 2.3 Điện áp theo trạng thái van mạch Buck - Boost AC chopper 35 Bảng 2.4 Điện áp theo trạng thái van mạch Buck - Boost AC chopper 37 Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Điện áp dịng điện khởi động mềm 10 Hình 1.2 Điện áp dừng tự dừng mềm 12 Hình 1.3 Sơ đờ ma ̣ch lực dùng thyristor 13 Hình 1.4 Điện áp pha A với góc α = 300 13 Hình 1.5 Xung điều khiển van 14 Hình 1.6 Giản đồ hoa ̣t đô ̣ng của các van và góc điề u khiể n α 15 Hình 1.7 Áp thay đở i theo góc α 17 Hình 1.8Da ̣ng điê ̣n áp và dòng điê ̣n pha A với tải R = 1Ω, L = 1mH, góc α = π/2 17 Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc biến tần gián tiếp 18 Hình 1.10 Dạng sóng đầu nghich lưu PWM 19 Hình 1.11 Nguyên lý điều chế SPWM pha 20 Hình 1.12 Nghịch lưu áp ba pha 20 Hình 1.13 Điều chế SPWM ba pha và da ̣ng điê ̣n áp 21 Hình 2.1 Hình dạng sóng mang APOD 26 Hình 2.2 Hình dạng sóng mang PD 26 Hình 2.3 Hình dạng sóng mang POD 27 Hình 2.4 Chuỗi xung PWM với duty cycle khác 28 Hình 2.5 Dạng điện áp 28 Hình 2.6 Mạch lực AC Chopper pha 29 Hình 2.7 Xung PWM cho van 29 Hình 2.8 Các chế độ hoạt động mạch 30 Hình 2.9 Buck AC chopper 31 Luận văn tốt nghiệp Hình 2.10 Các tra ̣ng thái chuyể n ma ̣ch của ma ̣ch Buck AC chopper 32 Hình 2.11 Boost AC chopper 33 Hình 2.12 Các tra ̣ng thái chuyể n ma ̣ch của ma ̣ch Boost 34 Hình 2.13 Buck – Boost AC chopper 35 Hình 2.14 Các tra ̣ng thái chuyể n ma ̣ch của ma ̣ch Buck – Boost 35 Hình 2.15 Ba pha AC Chopper 36 Hình 2.16 Các tra ̣ng thái của ma ̣ch AC Chopper pha 36 Hình 4.1 Mơ hình hệ thống PWM AC Chopper pha 51 Hình 4.2 Điê ̣n áp nguồ n pha 220V/50Hz 51 Hình 4.3 Tải RL nố i đố i xứng với R = 0.5Ω, L = 1mH 52 Hình 4.4 Khố i MACH LUC 52 Hình 4.5 Khớ i DIEU KHIEN 53 Hình 4.6 Khớ i TAO XUNG 54 Hình 4.7 Khố i Pha A Min 54 Hình 4.8 Xung S1 (trên) và S4 (dưới) chu kỳ điê ̣n áp 55 Hình 4.9 Thứ tự đóng cắ t của các van theo thứ tự S1, S4, S3, S6, S5, S2 55 Hình 4.10 Điê ̣n áp và dòng điê ̣n pha A 56 Hình 4.11 Phân tích phở sóng hài dòng điê ̣n (290 chu kỳ), THD = 8.56% 56 Hình 4.12 Điê ̣n áp và dòng điê ̣n pha A 57 Hình 4.13 Phân tích phở sóng hài dòng điê ̣n (290 chu kỳ), THD = 27.29% 57 Hình 4.14 Điê ̣n áp và dòng điê ̣n Pha A 58 Hình 4.15 Phân tích phổ sóng hài dòng điê ̣n (290 chu kỳ), THD = 0.86% 58 Hình 4.16 Điê ̣n áp và dòng điê ̣n Pha A 59 Hình 4.17 Phân tích phổ sóng hài dòng điê ̣n (290 chu kỳ), THD = 2.73% 59 Luận văn tốt nghiệp MỞ ĐẦU Ngày nay, tất nước giới nói chung nước ta nói riêng thiết bị bán dẫn thâm nhập vào ngành công nghiệp, nông nghiệp lĩnh vực sinh hoạt Các nhà máy, xí nghiệp ứng dụng ngày nhiều thành tựu cơng nghiệp điện tử cơng suất, số thiết bị khởi động mềm Việc áp dụng phương pháp khởi động mềm dừng mềm, hệ thống công suất lớn giúp giảm ảnh hưởng đến nguồn cung cấp (dòng đỉnh sụt áp khởi động); bảo vệ thiết bị, mang lại hiệu suất cao chế độ làm việc liên tục Các khởi động mềm dùng thyristor truyền thống (đặc biệt cơng suất lớn 100kW) có nhiều nhược điểm gây méo lớn, điều khiển xung dịng điện nhiên khả kiểm sốt dòng điện khởi động chưa tốt… Thiết bị điều áp xoay chiều dùng van điều khiển hoàn toàn MOSFET, IGBT cho phép băm trực tiếp điện áp xoay chiều từ nguồn để cấp cho phụ tải giảm thiểu thành phần hài bậc thấp (bậc 3, 5, 7), cải thiện độ méo phi tuyến ảnh hưởng tới nguồn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật viết với mục đích nghiên cứu đặc tính làm việc thiết bị bán dẫn cơng suất mà cụ thể thiết bị điều áp xoay chiều sử dụng van điều khiển hoàn toàn ứng dụng chúng Luận văn tốt nghiệp Chương TỔNG QUAN VỀ KHỞI ĐỘNG MỀM Động không đồng pha dùng rộng rãi cơng nghiệp chúng có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, có nhược điểm dịng điện khởi động lớn, gây sụt áp lưới điện Phương pháp tối ưu dùng điều khiển điện tử để hạn chế dòng điện khởi động, đồng thời điều chỉnh tăng mô men mở máy cách hợp lý, chi tiết động chịu độ dồn nén khí hơn, tăng tuổi thọ làm việc an toàn cho động Ngoài việc tránh dòng đỉnh khởi động động cơ, cịn làm cho điện áp nguồn ổn định khơng gây ảnh hưởng xấu đến thiết bị khác lưới Phương pháp khởi động áp dụng cần hạn chế điện áp đầu cực động cơ, tăng dần điện áp theo chương trình thích hợp để điện áp tăng tuyến tính từ giá trị xác định đến điện áp định mức Đó q trình khởi động mềm (ramp) tồn q trình khởi động điều khiển đóng mở van cơng suất vi xử lý với cổng vào tương ứng, tần số giữ không đổi theo tần số điện áp lưới Ngồi cịn cung cấp cho giải pháp tối ưu nhờ nhiều chức khởi động mềm dừng mềm, dừng đột ngột, phanh dòng trực tiếp, tiết kiệm lượng non tải Có chức bảo vệ động bảo vệ tải, pha  Những ứng dụng điển hình khởi động mềm: - Động điện cho chuyên chở vật liệu - Động bơm - Động vận hành non tải lâu dài - Động có chuyển đổi (hộp số, băng tải, …) - Động có qn tính lớn (quạt, máy nén, bơm, băng truyền, thang máy, máy nghiền, máy ép, máy khuấy, máy dệt, …) Luận văn tốt nghiệp  Đặc điểm khởi động mềm: - Bền vững tiết kiệm khơng gian lắp đặt - Có chức điều khiển bảo vệ - Khoảng điện áp sử dụng từ 200 – 500 V, tần số từ 45 – 65 Hz - Có phần mềm chuyên dụng kèm - Lắp đặt, cài đặt chức dễ dàng 1.1 Kỹ thuật khởi động mềm dừng mềm 1.1.1 Khởi động mềm Vì mơ men động tỉ lệ với bình phương điện áp, dịng điện tỉ lệ với điện áp, mơ men gia tốc dịng điện khởi động hạn chế thông qua điều chỉnh trị số hiệu dụng điện áp Như vậy, hoạt động khởi động mềm hoàn toàn dựa việc điều khiển điện áp khởi động dừng, tức trị số hiệu dụng điện áp thay đổi Nếu dừng động cơ, tín hiệu kích mở van bị cắt dòng điện dừng điểm qua điện áp nguồn Hình 1.1 Điện áp dòng điện khởi động mềm 10 Luận văn tốt nghiệp Ua RD2  Ls   R  Ls   yˆ  s  RD  ˆ  s  RD2   LD2  L  s  RL C s  LL C s3 0 0 (3.37) yˆ  s  D  R  Ls   2 uˆ  s  RD   LD  L0  s  RL0C0s  LL0C0s3 (3.38) 3.4 Mô hin ̀ h toán ho ̣c bô ̣ Buck – Boost AC chopper Phương trình ma ̣ch Buck – Boost ở tra ̣ng thái tích cực:  di L0  t   ua  t  L0 dt   du C0  t   i C  t   i  t  C dt   di  t   Ri  t   u tai  t   u C0  t   L dt   di L0  t   ua  t   L0  dt  du  t   C0   it   dt C0   di  t    R i  t   u  t  C  dt L L  u tai  t   u C0  t  (3.39) (3.40) Cho ̣n các biế n tra ̣ng thái: i L0  t     x  i  t   ;    u C0  t   y  u tai  t  ; u  ua t  (3.41) Từ đó ta có phương trình tra ̣ng thái cho ma ̣ch Buck – Boost ở tra ̣ng thái tích cực: 47 Luận văn tốt nghiệp  dx   A1x  B1u  dt  y  C1x Trong đó:  0  A1  0  0  R  L  C0  0  1 ; L    1 L   0 B1  0  ;   0    0 C1  0  1  (3.42) Phương trình ma ̣ch Buck – Boost ở tra ̣ng thái xả:  di L0  t    u C0  t  L0 dt   du C0  t   i L0  t   i  t  C dt   di  t  L  i  t  R  u C0  t   dt u  t   u  t  C0  tai (3.43)  di L0  t    u C0  t   L0  dt  di  t  R    i  t   u C0  t    dt L L  du  t  1  C0  i L0  t   i  t  C0 C0  dt   u tai  t   u C0  t  (3.44) Cho ̣n các biế n ta đươ ̣c phương trin ̀ h tra ̣ng thái ma ̣ch Buck – Boost ở tra ̣ng thái xả: 48 Luận văn tốt nghiệp  dx   A x  B2 u  dt   y  C2 x Trong đó: 1    0 L0   R   A  0  ; L L   1    C0  C0   0 B2  0  ; 0  0 C  0  1  (3.45) Vâ ̣y mô hình trung bình không gian tra ̣ng thái của ma ̣ch là:  dx   Ax  Bu  dt   y  Cx Trong đó: 1 d    0 L0    R   A  0  ; L L    1  d    C0  C0   d  L   0 B  0  ;   0    0 C  0  1  (3.46) Điể m làm viê ̣c cân bằ ng của bô ̣ Buck – Boost đươ ̣c tin ́ h sau: DU a  U  C  1 D   U C0  R.I  I  I  L0  D U  U C0  tai 49 (3.47) Luận văn tốt nghiệp Ta tiń h đươ ̣c các hàm truyề n đa ̣t theo công thức (3.13), (3.14) Ua  R(D  1)2  DL0s   R  Ls  yˆ  s  (3.48)  2 ˆ  s  R(D  1)   L  L0  2D(R  L)  s  RL0C0s  LL0C0s D  R  Ls  yˆ  s  D  (3.49)  uˆ  s  R(D  1)   L  L  2D(R  L)  s  RL 0C 0s  LL 0C 0s  50 Luận văn tốt nghiệp Chương MÔ PHỎNG VỚI MATLAB/SIMULINK Mô phỏng ma ̣ch ba pha Buck AC chopper Hình 4.1 Mơ hình hệ thống PWM AC Chopper pha Nguồ n áp là nguồ n ba pha 220V/50Hz: Hình 4.2 Điê ̣n áp nguồ n pha 220V/50Hz 51 Luận văn tốt nghiệp Hình 4.3 Tải RL nố i đố i xứng với R = 0.5Ω, L = 1mH Hin ̀ h 4.4 Khố i MACH LUC Sơ đồ ma ̣ch lực có đầ u vào là pha A, pha B, pha C từ điê ̣n áp lưới, đầ u là pha a, pha b, pha c tải Các cực điề u khiể n của các van IGBT đươ ̣c nố i với đầ u bô ̣ DIEU KHIEN 52 Luận văn tốt nghiệp Hiǹ h 4.5 Khố i DIEU KHIEN Khố i DIEU KHIEN có nhiê ̣m vu ̣ xác đinh ̣ xem pha nào ba pha là cực tiể u từ đó đưa các xung điề u khiể n hơ ̣p lý tới các van IGBT khoi MACH LUC sensor phản hồ i điê ̣n áp về các ma ̣ch so sánh giữa các pha: A và B, B và C, C và A đầ u ma ̣ch so sánh đươ ̣c đưa tới các ma ̣ch logic kiể m tra các điề u kiê ̣n cực tiể u 53 Luận văn tốt nghiệp Hình 4.6 Khố i TAO XUNG Khố i TAO XUNG ta ̣o xung PWM có đô ̣ rô ̣ng xung điề u khiể n đươ ̣c bằ ng tỉ số điề u chế (0 < D UTRI thì xung bằ ng van mở, UĐK < UTRI thì phát xung bằ ng 0, van đóng Hình 4.7 Khố i Pha A Min Các khố i Pha Min là các khố i logic xác đinh ̣ xem pha có cực tiể u hay không Ví du ̣: Pha A cực tiể u các điề u kiê ̣n logic điê ̣n áp pha B và điê ̣n áp pha C cùng lớn pha A Nế u thỏa mañ điề u kiê ̣n thì đưa xung kić h mở tới van IGBT pha A là van S1 và van S4 Còn nế u không thỏa mañ thì đưa xung PWM tới S1, S4 54 Luận văn tốt nghiệp Hình 4.8 Xung S1 (trên) và S4 (dưới) chu kỳ điê ̣n áp Hình 4.9 Thứ tự đóng cắ t của các van theo thứ tự S1, S4, S3, S6, S5, S2 55 Luận văn tốt nghiệp Kế t quả mô phỏng: - Với fPWM = 500Hz, duty cycle 75% Hiǹ h 4.10 Điê ̣n áp và dòng điê ̣n pha A Hiǹ h 4.11 Phân tić h phổ sóng hài dòng điê ̣n (290 chu kỳ), THD = 8.56% - Với fPWM = 500Hz, D = 0.2 56 Luận văn tốt nghiệp Hiǹ h 4.12 Điê ̣n áp và dòng điê ̣n pha A Hình 4.13 Phân tích phổ sóng hài dòng điê ̣n (290 chu kỳ), THD = 27.29% Nhâ ̣n xét: + Điê ̣n áp có da ̣ng sin so với các phương pháp truyề n thố ng + D càng nhỏ thì ̣ số méo da ̣ng dòng điê ̣n càng lớn 57 Luận văn tốt nghiệp + Để khắ c phu ̣c ta sẽ tăng tầ n số băm xung (fPWM) + Đồ thi thể ̣ hiê ̣n đúng luâ ̣t tăng giảm dòng điê ̣n theo lý thuyế t - Với fPWM = 5kHz, D = 0.75 Hiǹ h 4.14 Điê ̣n áp và dòng điê ̣n Pha A Hình 4.15 Phân tích phổ sóng hài dòng điê ̣n (290 chu kỳ), THD = 0.86% 58 Luận văn tốt nghiệp - Với fPWM = 5kHz, D=0.2 Hiǹ h 4.16 Điê ̣n áp và dòng điê ̣n Pha A Hiǹ h 4.17 Phân tić h phổ sóng hài dòng điê ̣n (290 chu kỳ), THD = 2.73% Nhâ ̣n xét: - Khi tăng tầ n số băm xung (fPWM) dòng điê ̣n tải ít nhấ p nhô biế n da ̣ng - Tổ n hao các sóng bâ ̣c cao giảm rõ rê ̣t 59 Luận văn tốt nghiệp KẾT LUẬN Trong phạm vi luận văn tốt nghiệp này, thu số kết sau: - Nghiên cứu các bơ ̣ điề u áp xoay chiề u sử dụng phương pháp khởi động mềm truyề n thố ng - Tìm hiểu phương pháp điều áp xoay chiều pha điều chế độ rộng xung giúp cải thiện chất lượng điện áp khởi động - Mơ hình hóa mơ hệ thống MATLAB/SIMULINK Có thể dễ dàng nhận thấy phương pháp điều áp xoay chiều pha điều chế độ rộng xung giúp cải thiện chất lượng điện áp khởi động cách rõ rệt, giúp cải thiện chất lượng điện tải nguồn, qua biện pháp quan trọng nhiệm vụ chung tiết kiệm điện năng, cải thiện hiệu suất nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho hệ thống điện Tuy nhiên thời gian có hạn nên luận văn cịn nhiều thiếu sót như: Chưa nghiên cứu sâu sắc mong muốn, dừng lại phương pháp mơ phỏng, kiểm chứng phần mềm Kính mong q thầy giáo bạn góp ý để luận văn hoàn thiện phát triển hướng nghiên cứu Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Đỗ Mạnh Cường thầy cô môn Tự động hóa tận tình bảo tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên thực Giáp Văn Hội 60 Luận văn tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Văn Doanh (2007), Điện tử công suất Lý thuyết –Thiết kế ứng dụng, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (2006), MATLAB & SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, Hà Nội D Floricau (2006), “PWM AC Choppers: Basic toppologies and applications”, U.P.B Sci Bull., Series C Vol 68 (No 4), pp 91-106 Panithi Sanjit and Apinan Aurasopon (2015), “Asymmetrical PWM for Harmonics Reduction and Power Factor Improvement in PWM AC ChoppersUsing Bee Colony Optimization”, Journal of Power Electronics, Vol 15 (No 1), pp 227-234 Wanchai Khamsen, Apinan Aurasopon, and Chanwit Boonchuay (2014), “Optimal Switching Pattern for PWM AC-AC Converters Using Bee Colony Optimization”, Journal of Power Electronics, Vol 14 (No 2), pp 362-368 61 ... Modulation – Phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM: Sin Pulse Width Modulation – Phương pháp điều chế độ rộng xung sin SVPWM: Space Vector Pulse Width Modulation - Phương pháp điều chế độ rộng xung. .. nghiệp Chương PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM Thiết bị điều áp xoay chiều sử dụng rộng rãi ứng dụng lị cơng nghiệp, điều khiển dây chuyền, điều chỉnh ánh sáng, khởi động mềm động cảm ứng... pháp điều áp khởi động mềm truyền thống 12 1.2.1 Phương pháp điều khiể n góc pha 12 1.2.2 Khởi động mềm bằ ng biến tầ n 18 Chương – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM