Điều khiển biến tần 03 bậc với khả năng cân bằng áp nguồn dc

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRẦN QUỐC VIỆT Đề tài: ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN 03 BẬC VỚI KHẢ NĂNG CÂN BẰNG ÁP NGUỒN DC Chuyên ngành: Thiết bị, mạng nhà máy điện Mã số số ngành: 2.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2007 CÔNG TRÌNH ĐƯC HÒAN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: T.S NGUYỄN VĂN NHỜ (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học chữ ký) Cán chấm nhận xét 1:…………………………………………………………… (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học chữ ký) Cán chấm nhận xét 2:…………………………………………………………… (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học chữ ký) Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, Ngày………tháng………năm…… TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày tháng năm 200 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : TRẦN QUỐC VIỆT Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 01/08/1979 Nơi sinh: tp.Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Thiết bị mạng nhà máy điện MSHV:01804520 I- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN 03 BẬC VỚI KHẢ NĂNG CÂN BẰNG ÁP NGUỒN DC II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Trình bày tổng quan biến tần - Khảo sát ảnh hưởng dao động điện áp nguồn lên áp tải - Khảo sát ảnh hưởng dao động áp nguồn, có cân áp tải - Biện pháp cân áp nguồn DC - Các kết mô III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực LV ghi Quyết định giao đề tài): IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/10/2006 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên ): TS NGUYỄN VĂN NHỜ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chuyên ngành thơng qua TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH Ngày tháng năm TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH Để hòan thành luận án ngày hôm nay, ngòai nổ lực không ngừng thân công kể đến giúp đỡ, động viên hướng dẫn nhiệt tình thầy NGUYỄN VĂN NHỜ giúp đỡ tác giả suốt trình thực đề tài Bên cạnh đó, xin cám ơn qúy Thầy Cô khoa Điện, Phòng QLKH –QHQT – SĐH thầy cô trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh giúp đỡ tác giả kiến thức để hòan thành luận văn Xin chân thành cảm ơn!!!! TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Trên đà phát triển công nghệ bán dẫn kỹ thuật vi điều khiển tạo điều kiện cho việc ứng dụng kỹ thuật điều biến tần dễ dàng xác Nhờ đó, biến tần ngày có vị trí quan trọng không sản xuất công nghiệp mà sống hàng ngày (thang máy, máy điều hòa không khí, xe điện,…) Việc sử dụng ngày nhiều sống đòi hỏi đặc tính biến tần ngày phải cải thiện việc sử dụng phải dễ dàng Một vấn đề quan tâm gần việc hạn chế nhiễu điện từ, điện áp common-mod (CM), dao động điểm trung tính nguồn DC điện áp ngỏ cung cấp cho tải sử dụng thiết bị Với ưu điểm vượt trội so với biến tần hai bậc, biến tần ba bậc ngày thể rõ vị trí thực tiễn Để nâng cao tính phổ dụng đề tài luận văn thạc só, xin đề cử phương pháp cân áp nguồn DC áp tải cho biến tần ba bậc Có nhiều phương pháp điều chế để điều khiển biến tần ba bậc, phương pháp có ưu nhược điểm riêng cách thức giải vấn đề nêu khác Do đó, đề tài xin đề cử phối hơp hai phương pháp thông dụng DPWM SVPWM để có phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) dựa thông số liên quan đến vector redundantcy hàm thứ tự không Từ đó, xây dựng hàm điều khiển Vxref Voadd có khả khống chế CM đạt tới mức cực tiểu giữ lại đặc tính tốt vốn có hệ thống Đồng thời đảm bảo cân điện áp tải có dao động điểm trung tính nguồn DC nhằm góp phần đảm bảo tính ổn định hệ thống Sự dao động điểm trung tính nguồn DC tác động dạng tải khác nguyên nhân gay ổn định hệ thống, làm tăng điện áp CM tượng nhiễu sử dụng biến tần Trong đề tài xin đề cử phương pháp sử dụng phần cứng, dựa nguyên lý nạp xả tụ điện, để cân áp nguồn DC Hai phương pháp cân áp nguồn DC áp tải xây dựng độc lập sử dụng chung với hệ thống điều khiển biến tần ba bậc nhằm hổ trợ lẩn nhau, để giảm tới mức tối thiểu tượng CM, nhiễu ổn định hệ thống Luận văn xây dựng bao gồm 03 chương Việc giải vấn đề cân áp nguồn DC áp tải trình bày cụ thể nguyên lý, thuật tóan kết mô Trong luận văn tác giả có dùng phần mềm VC6.0 (xây dựng khối hàm biên dịch thư viện liên kết động) phần mềm PSIM6.0 để mô kết Tài liệu tham khảo để thực luận văn tốt nghiệp báo nghiên cứu khoa học TS NGUYỄN VĂN NHỜ giảng viên trường Đại Học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh báo khoa học số tác giả khác MỤC LỤC A Trang Nhận xét giáo viên Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ Lời cảm ơn Tóm tắt luận văn thạc sĩ Mục lục CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ BIẾN TẦN 01 1.1 Tổng quan: 01 1.1.1 Khái niệm 01 1.1.2 Phân lọai 01 a Theo tổng số pha 01 b Theo cấu trúc mạch điện, có biến tần .01 1.1.3 Bộ biến tần gián tiếp 01 1.1.3.1 Bộ biến tần áp gián tiếp .01 a Mạch trung gian chiều 02 b Bộ nghịch lưu áp 02 c Bộ chỉnh lưu 02 1.1.3.2 Bộ biến tần dòng gián tiếp 03 a Mạch trung gian 03 b Bộ nghịch lưu dòng 03 c Bộ chỉnh lưu 04 1.1.4 Bộ biến tần trực tiếp .04 1.1.5 Tóm lại 05 1.2 Bộ nghịch lưu biến tần 05 1.2.1 Bộ nghịch lưu áp 05 1.2.1.1 Cấu trúc dạng cascade (cascade inverter) .05 1.2.1.2 Cấu trúc nghịch lưu chứa diode kẹp (inverter NPC) .06 1.2.1.3 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi 08 1.2.1.4 Trạng thái đóng cắt 08 1.2.2 Bộ nghịch lưu dòng 10 1.2.2.1 Bộ nghịch lưu dòng pha 10 1.2.2.2 Bộ nghịch lưu dòng ba pha 11 B CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN VỚI NGUỔN DC CÂN BẰNG 13 2.1 Giới thiệu 13 2.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) 13 2.2.1 Các dạng song mang dung kỹ thuật điều chế PWM .13 2.2.2 Mô phần mềm Psim6.0 14 2.3 Phương pháp PWM cải biến (SFO-PWM) .17 2.3.1 Giới thiệu .17 2.3.2 Mô phần mềm Psim6.0 18 2.4 Phương pháp điều chế vector không gian .20 2.4.1 Vector không gian 20 2.4.2 Phương pháp điều chế 21 2.4.3 Mô vector không gian dùng sóng mang 24 2.4.3.1 Giới thiệu 24 2.4.3.2 Xây dựng khối tín hiệu 25 a Khối Active signals 25 Các biểu thức tính tóan .25 Chương trình VC6.0 tạo khối dll 27 b Khối offset-generator tín hiệu điều chế 32 Các biểu thức tính tóan .32 Chương trình VC6.0 tạo khối dll 33 c Mô phần mềm Psim6.0 .38 Đối với trường hợp SVPWM cực tiểu Common-mod 39 Đối với trường hợp DPWM cực tiểu Common-mod 43 C CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN VỚI NGUỔN DC KHÔNG CÂN BẰNG 47 I Mô nguồn DC không cân 47 Mạch điện mô 47 Mô với SVPWM cực tiểu Common-mode tải cân 48 Mô với DPWM cực tiểu Common-mode tải cân 49 Mô với SVPWM cực tiểu Common-mode tải không cân .50 II Phương pháp cân áp tải nguồn DC không cân 51 Một số định nghĩa 51 Phương pháp cân điện áp tải .53 Sơ đồ khối điều khiển 53 Khơi tính v , x = a, b, c 54 xp Khối tính Additional Common-mod voltage v 0add .55 Khối tạo sóng mang tính hiệu điều chế 58 Phương pháp hiệu chỉnh song mang .58 Phương pháp hiệu chỉnh song điều chế 59 Chương trình xây dựng file dll viết VC6.0 sử dụng PSIM6.0 .60 Khối tạo primitive_voltage.dll 60 Khối tạo vxref.dll .63 Khối tạo vck.dll 69 Các kết mô với PSIM6.0 73 Mô SVPWM, cực tiểu Common-mod hiệu chỉnh tín hiệu điều chế .75 Mơ SVPWM, Medimum Common-mod hiệu chỉnh tín hiệu sóng mang .77 Mơ DPWM, cực tiểu Common-mod hiệu chỉnh tín hiệu điều chế .80 Mơ DPWM, Medimum Common-mod hiệu chỉnh tín hiệu sóng mang .82 Nhận xét kết 85 III Phương pháp cân áp nguồn cho nghịch lưu ba bậc (NPC) theo nguyên lý nạp xả tụ 85 Sơ đồ nguyên lý 86 Xác định thông số sơ đồ 86 Mạch điện mô 87 Khối hàm sosanh.dll 88 Các thông số dùng để mô 89 Các kết mô PSIM6.0 89 Tải ba pha cân khôngtuyến tính .89 - Mơ SVPWM, cực tiểu Common-mod hiệu chỉnh tín hiệu điều chế 89 - Mô DPWM, cực tiểu Common-mod hiệu chỉnh tín hiệu điều chế 91 Tải phi tuyến không cân 92 - Mô SVPWM, cực tiểu Common-mod hiệu chỉnh tín hiệu điều chế 92 - Mô DPWM, cực tiểu Common-mod hiệu chỉnh tín hiệu điều chế 93 Nhận xét kết 95 - Kết luận đề nghị 96 - Tài liệu tham khảo 97 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ CHƯƠNG 1.11.1-Tổng Quan KHÁI QUÁT VỀ BIẾN TẦN 1.1.11.1.1-Khái niệm Bộ biến tần dùng để chuyển đổi điện áp dòng điện xoay chiều đầu vào từ tần số thành điện áp dòng điện có tần số khác đầu ra.Với chức đó, biến tần thường sử dụng để điều khiển vận tốc động xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo tần số lưới nguồn thay đổi thành tần số biến thiên Ngoài việc thay đổi tần số có thay đổi tổng số pha Từ nguồn lưới pha, với giúp đỡ biến tần ta mắc vào tải động ba pha Bộ biến tần sử dụng rộng rãi kỹ thuật nhiệt điện Bộ biến tần trường hợp cung cấp lượng cho lò cảm ứng nhiệt 1.1.21.1.2-Phân loại a.Theo tổng số pha, có biến tần: - Một pha - Ba pha - m pha b.Theo cấu trúc mạch điện, có biến tần: - Bộ biến tần gián tiếp (mạch chứa khâu trung gian chiều), ta phân biệt biến tần dùng nghịch lưu áp biến tần dùng nghịch lưu dòng với trình chuyển mạch phụ thuộc mạch nguồn với trình chuyển mạch cưỡng - Bộ biến tần trực tiếp (không chứa khâu trung gian chiều) – gọi cycloconverter Đa phần biến tần trực tiếp hoạt động với trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài, với tín hiệu điều khiển có dạng hình thang dạng điều hoà Ngoài ra, có số biến tần trực tiếp hoạt động với trình chuyển mạch cưỡng Trường hợp trình chuyển mạch phụ thuộc nguồn chia làm hai trường hợp nhỏ: trường hợp với dòng điện cân trường hợp dòng điện cân 1.1.31.1.3- Bộ biến tần gián tiếp Cấu tạo biến tần gián tiếp gồm có chỉnh lưu với chức chỉnh lưu điện áp xoay chiều với tần số cố định ngỏ vào nghịch lưu thực việc chuyển đổi điện áp ( dòng điện) chỉnh lưu sang dạng áp dòng xoay chiều ngỏ ra.Bằng cấu trúc trên, ta điều khiển tần số đầu cách độc lập không phụ thuộc tần số vào Các biến tần gián tiếp thường hoạt động với công suất khoảng từ vài Kw đến vài trăm Kw Phạm vi hoạt động tần số khoảng vài phần chục Hz đến vài trăm Hz Công suất tối đa chúng lên đến vài trăm MW tần số tối đa khoảng vài chục kHz 1.1.3.11.1.3.1-Bộ biến tần áp gián tiếp : HVTH: TRẦN QUỐC VIỆT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Hình 1.1: biến tần áp gián tiếp a Mạch trung gian chiều Có chứa tụ lọc với điện dung lớn Cf (khoảng vài ngàn uF) mắc vào ngỏ vào nghịch lưu.Điều giúp cho mạch trung gian hoạt động nguồn điện áp Tụ điện với cuộn cảm Lf mạch trung gian tạo thành mạch lọc nắn điện áp chỉnh lưu Cuộn kháng Lf có nhiệm vụ nắn dòng điện chỉnh lưu.Trong nhiều trường hợp cuộng kháng Lf không xuất cấu trúc mạch tác dụng nắn dòng thay cảm kháng tản máy biến áp cấp nguồn cho chỉnh lưu Do tác dụng diode mắc đối nghịch, điện áp đặt tụ đạt giá trị dương Tụ điện thực chức trao đổi lượng ảo tải nghịch lưu mạch trung gian b Bộ nghịch lưu áp Có dạng pha ba pha Quá trình chuyển mạch nghịch lưu áp thường trình chuyển đổi cưỡng Trong trường hợp đặc biệt, nghịch lưu làm việc trình chuyển mạch với trình chuyển mạch phụ thuộc bên Từ ta có hai trường hợp biến tần với trình chuyển mạch độc lập trình chuyển mạch phụ thuộc bên c Bộ chỉnh lưu Có nhiều dạng khác nhau, mạch tia, mạch cầu pha ba pha.Thông thường ta gặp mạch cầu ba pha.Nếu chỉnh lưu pha nghịch lưu ba pha, biến tần thực chức biến đổi tổng số pha Khi áp dụng phương pháp điều khiển theo biên độ cho điện áp tải xoay chiều chỉnh lưu phải chỉnh lưu điều khiển Thông thường, chỉnh lưu có dạng không điều khiển, bao gồm diode mắc dạng mạch cầu Độ lớn điện áp tần số nghịch lưu điều khiển thông qua phương pháp điều khiển xung thực trực tiếp nghịch lưu Ở chế độ máy phát tải (chẳng hạn hãm động không đồng bộ), lượng hãm trả ngược mạch chiều nạp cho tụ lọc Cf Năng lượng nạp cho tụ làm cho tăng lên đạt giá trị lớn gây áp Để loại bỏ tượng điện áp tụ lọc Cf , phương pháp đơn giản sử dụng đóng mạch xả điện áp tụ qua điện trở mách song song với tụ thông qua công tắc bán dẫn (hoạt động dựa theo kết so sánh tín hiệu điện áp đo tụ với giá trị điện áp đặt trước cho phép) Một biện pháp khác đưa lượng áp tụ Cf nguồn lưới điện xoay chiều Ở trường hợp này, biến tần trang bị chỉnh lưu kép Khi đó, chỉnh lưu kép thực việc đảo chiều dòng điện điều kiện điện áp tụ không đổi HVTH: TRẦN QUỐC VIỆT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ - Các tín hiệu v xp v - Các tín hiệu v xref ,v 0p 0add ,v ,v : max ,d - Caùc tín hiệu sóng mang v HVTH: TRẦN QUỐC VIỆT H ,d L : ,v : carrier1 carrier 83 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ - Các tín hiệu áp tải tâm nguồn DC ( V - Các tín hiệu áp tải trung tính tải ( V xN xC ): ): - Các tín hiệu điện áp tụ comm.-mod V : ,V ,V C1 C comm HVTH: TRẦN QUỐC VIỆT 84 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ - Các tín hiệu dòng điện ba pha tải: Nhận xét kết quả: Kết mô cho ta thấy điện áp tải can dù trung tính nguồn DC nghịch lưu NPC bị dao động Giá trị comm.-mod giảm xuống so với lúc chưa cân Thuật tóan sử dụng đơn giản Có thể dùng chung với cân áp nguồn áp nguồn DC, hai phần riêng biệt để tăng tính ổn định nghịch lưu (NPC) Tuy nhiên, chưa giải triệt để vấn đề dao động dòng điện ba pha tải Vì cần giải vấn đề cân điểm trung tính nguồn DC đặc tính tải thay đổi III Phương pháp cân áp nguồn cho nghịch lưu ba bậc (NPC) theo nguyên lý nạp xả tụ: Đây phương pháp dùng phần cứng sử dụng cho nghịch lưu ba bậc, dựa nguyên lý nạp xả tụ Sơ đồ nguyên lý mạch điện sau: HVTH: TRẦN QUỐC VIỆT 85 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN NHỜ Mạch chia làm hai phần, phần thứ gồm linh kiện: U1,D1,RL1,C2 phần thứ hai bao gồm: U2,D2,RL2 C1 Với nguyên lý làm việc sau: Trong thời điểm có nhóm linh kiện U1,D1,RL1,C2 U2,D2,RL2 làm việc Khi VC1>VC2 mạch chứa U1,D1,RL1,C2 làm việc điều chỉnh điện áp tụ C2 để giữ cho nguồn DC cân Trong suốt thời gian mạch chứa U2,D2,RL2 C1 không làm việc Vì VDC=VC1+VC2 giả sử VDC không đổi, nên điện áp tụ C1 giảm tương ứng với điện áp tụ C2 tăng lên Vậy biến thiên điểm trung tính nguồn DC cân nhanh cách hiệu chỉnh điện áp hai tụ điệ C1 hay C2 Khi công tắc U1 đóng, có dòng điện chạy qua U1 đến RL1 nạp cho tụ C2 Khi U1 mở ra, lượng tích lủy L1 chuyển sang tụ C2 thông qua diode D1 mạch RL1,C2,D1 khép kín Vì điện áp tụ C2 có xu hướng tăng lên nhờ mà điểm trung tính nguồn DC có xu hướng cân Ngược lại, VC1