Thiết kế biến tần điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha theo phương pháp vector không gian

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TRẦN HÒA THIẾT KẾ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR KHÔNG GIAN LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội, 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TRẦN HÒA THIẾT KẾ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR KHÔNG GIAN LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS VÕ MINH CHÍNH Hà Nội, 2010 BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR KHÔNG GIAN Lời cam đoan Trước tiên, xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Điện - Điều khiển tự động hóa đặc biệt thấy Võ Minh Chính, giảng viên trực tiếp hướng đẫn, tận tình giúp đỡ tơi q trình làm luận văn Tơi chọn đề tài :” Nghiên cứu chế tạo biến tần điều khiển ĐCKĐB ba pha theo phương pháp vector không gian” Tôi xin cam đoan q trình làm luận văn, tơi vận dụng, tham khảo tài liệu danh mục nêu Tôi xin chịu trách nhiệm với vấn đề liên quan đến nội dung luận văn Tác giả luận văn Nguyễn Trần Hòa -i- BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR KHÔNG GIAN Mục lục Lời mở đầu vi Chương I: ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ .1 1.1 Động không đồng 1.1.1 Mơ hình tốn học nhiều biến ĐCKĐB ba pha 1.1.2 Phương trình điện áp .2 1.1.3 Phương trình từ thơng 1.1.4 Phương trình chuyển động 1.1.5 Phương trình mơmen .4 1.1.6 Mơ hình tốn học ĐCKĐB ba pha 1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB 1.2.1 Điều chỉnh tốc độ cách điểu chỉnh điện áp cấp cho động .6 1.2.2 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở mạch rotor 1.2.3 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi công suất trượt .11 1.2.4 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi tần số nguồn cấp cho ĐCKĐB .11 1.2.5 Điều khiển trực tiếp mômen ĐCKĐB (DTC) 16 1.2.6 Điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC) .19 1.2.7 Đánh giá lựa chọn phương áp .23 Chương II: GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN 25 2.1 Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) .25 2.1.1 Biến tần trực tiếp điều khiển riêng 27 2.1.2 Biến tần trực tiếp điều khiển chung .29 2.1.3 Điều khiển biến tần trực tiếp .29 2.2 Bộ biến tần gián tiếp .30 2.2.1 Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển 31 2.2.2 Biến tần dùng chỉnh lưu khơng điều khiển có thêm biến đổi xung điện áp 31 2.2.3 Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu PWM 32 2.2.4 Biến tần điều khiển theo phương pháp vector không gian 33 - ii - BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR KHÔNG GIAN 2.2.5 Biến tần bốn góc phần tư (biến tần 4Q) 34 2.2.6 Biến tần làm việc góc phần tư .36 Chương III: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SINPWM VÀ ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN 39 3.1 Phương pháp điều khiển V/f = const 39 3.1.1 Phương pháp E/f 39 3.1.2 Phương pháp V/f 40 3.2 Phương pháp điều chế rộng xung SINPWM 42 3.2.1 Cách thức điều khiển 44 3.2.2 Hiệu phương pháp điều khiển : .45 3.3 Phương pháp điều chế vector không gian 46 3.3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển vector 46 3.3.2 Phương trình điều khiển vector .47 3.3.3 Phương pháp điều chế vector không gian 50 3.3.4 Trình tự thực vector điện áp 52 Chương IV: TÍNH TỐN LỰA CHỌN THIẾT BỊ .58 4.1 Tính tốn lựa chọn mạch lực biến tần .58 4.1.1 Khối nghịch lưu 58 4.1.2 Ic driver cho Mosfet .62 4.1.3 Tính tốn lựa chọn khối chỉnh lưu .63 4.1.4 Chọn giá trị tụ điện mạch lọc 65 4.2 Thiết kế phần cứng .66 4.2.1 Sơ đồ mạch 66 4.2.2 Sơ đồ thuật toán 68 Kết luận kiến nghị 70 Tài liệu tham khảo 71 Phụ lục 72 - iii - BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR KHÔNG GIAN BẢNG DANH MỤC HÌNH Tên hình Trang Hình 1.1: Cấu tạo ĐCKĐB Hình 1.2 Mơ hình vật lý động KĐB Hình 1.3: Sơ đồ điều khiển tốc độ động theo phương pháp thay đổi điện áp Hình 1.4: Đặc tính thay đổi điện áp cấp cho stato Hình 1.5 : Sơ đồ điều khiển tốc độ động theo phương pháp thay đổi điện trở mạch rotor Hình 1.6: Sơ đồ điều khiển động theo phương pháp nối tầng Hình 1.7: Phép quay từ thơng Hình 1.8: Sơ đồ mơ đóng cắt mạch lực Hình 1.9 : Sơ đồ vertor không gian từ thông động Hình 1.10: Sơ đồ cấu trúc điền khiền trực tiếp mơmen KĐB Hình1.11: Đồ thị vector cho phương pháp điều khiển tự từ thơng rotor Hình 1.12: Sơ đồ điều khiển tự từ thơng rotor Hình 1.13: Mơ hình hóa từ thơng từ dịng điện Hình 1.14: Họ đặc tính động điều khiển theo FOC Hình 2.1: Sơ đồ khối biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) Hình 2.2: Sơ đồ biến tần trực tiếp Hình 2.3: Biểu điễn điện áp đầu với μ khác Hình 2.4: Sơ đồ dịng điện biến tần trực tiếp Hình 2.5: Sơ đồ biến tần ba pha trực tiếp Hình 2.6: Thiết bị biến tần gián tiếp Hình 2.7: Biến tần dùng chỉnh lưu điều khiển tiristor Hình 2.8: Biến tần dùng chỉnh lưu khơng điều khiển có thêm biến đổi xung điện áp Hình 2.9: Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế PWM Hình 2.10: Bộ biến tần dung điều khiển vector khơng gian Hình 2.11: Sơ đồ biến tần làm việc góc phần tư dùng nghịch lưu hãm Hình 2.12: Dập lượng điện trở Rh mạch chiều Hình 3.1: Biểu đồ quan hệ moment điện áp Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý phương pháp chế độ rỗng xung Hình 3.3: Sơ đồ điện áp pha Hình 3.4: Quá trình hoạt động điều khiển Hình 3.5: Sơ đồ kết nối khóa nghịch lưu Hình 3.6: Cấu trúc hệ thống điều khiển Hình 3.7 Vector khơng gian điện áp stoto hệ α-β Hình 3.8: Giản đồ vector khơng gian Hình 3.9: Trạng thái đóng-ngắt khóa Hình 3.10: Giản đồ đóng cắt linh kiện Hình 3.11 :biểu đồ vector điện áp thuộc góc phần sáu thứ S1 - iv - 8 10 11 16 17 18 19 20 21 22 22 25 26 27 28 28 30 31 31 32 33 35 37 42 43 43 45 45 47 48 49 50 53 53 BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR KHƠNG GIAN Hình 4.1: Sơ đồ ngun lý nghịch lưu pha dịng có điốt ngăn cách Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu áp pha có điốt ngăn cách Hình 4.3: Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu -v- 59 59 63 BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR KHÔNG GIAN Lời mở đầu Hiện nay, nước ta giai đoạn phát triển mạnh cơng nghiệp hóa, tự động hóa Trong nhà máy sản xuất tự động, thiếu động đóng vai trị cấu chấp hành Các hệ thống truyền động điện sử dụng rộng rãi thiết bị dây chuyền sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải, thiết bị điện dân dụng ĐCKĐB có nhiều ưu điểm như: kết cấu đơn giản, làm việc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ Với đặc điểm ĐCKĐB ứng dụng rộng rãi dây truyền sản xuất Trong công nghiệp, ĐCKĐB thường dùng làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa nhỏ, cho máy công cụ nhà máy công nghiệp nhẹ Trong nông nghiệp, động dùng làm máy bơm hay máy gia cơng nơng sản phẩm Tóm lại, với phát triển sản xuất điện khí hóa tự động hóa, phạm vi ứng dụng ĐCKĐB ngày rộng rãi Do yêu cầu thiết đặt điểu khiển tốc độ động theo yêu cầu mong muốn Với đời phát triển hệ truyền động điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB 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 Điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB cách biến đổi tần số nguồn cấp cho phép mở rộng phạm vi sử dụng ĐCKĐB nhiều ngành cơng nghiệp Nó cho phép mở rộng dải điều chỉnh nâng cao tính chất động học hệ thống điều chỉnh tốc độ động xoay chiều nói chung ĐCKĐB nói riêng Trước hết, chúng ứng dụng cho thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động lúc động truyền động nhóm máy dệt, băng tải, băng lăn,… Phương pháp áp dụng thiết bị đơn lẻ, cấu có yêu cầu tốc độ làm việc cao : máy ly tâm, máy mài Điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cấp cho ta thấy đặc tính điều chỉnh phù hợp với nhiều loại tải Đồng thời dùng phương - vi - BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR KHÔNG GIAN pháp cho ta kết điều chỉnh vô cấp sử dụng biến tần thích hợp, ta điều chỉnh tốc độ tuỳ ý Bằng phương pháp này, ta nhận đặc tính cứng, tổn thất khơng lớn Đặc biệt, hệ thống điều chỉnh tốc độ động cách biến đổi tần số nguồn cấp sử dụng cho ĐCKĐB rotor lồng sóc có kết cấu đơn giản, vững chắc, giá thành rẽ Tôi chọn nghiên cứu đề tài: “ Nghiên cứu chế tạo biến tần điều khiển tốc độ ĐCKĐB theo phương pháp vector khơng gian” với mục đích nắm bắt nguyên lý hoạt động biến tần, cấu trúc mạch lực, từ tiến hành thiết kết chế tạo biến tần Bố cục luận văn bao gồm chương: Chương I: Sơ lược ĐCKĐB ba pha phương pháp điều khiển tốc động động Chương II: Giới thiệu biến tần Chương III: Phương pháp điều chế độ rộng xung phương pháp điều chế vector không gian Chương IV: Tính tốn lựa chọn thiết bị Kết luận hướng phát triển - vii - BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR KHÔNG GIAN Chương I : ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ 1.1 Động không đồng Động khơng đồng ba pha có cấu tạo hình sau Hình 1.1: Cấu tạo ĐCKĐB Đặc trưng cho ĐCKĐB ba pha hệ số trượt: S= n1 = n1 − n n1 60 f1 p Trong đó: n tốc độ quay roto f tần số dịng điện lưới p số đơi cực n tốc độ quay từ trường quay (tốc độ đồng động cơ) -1- BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR KHÔNG GIAN  Mạch xử lý - 67 - BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR KHƠNG GIAN 4.2.2 Sơ đồ thuật tốn  Sơ đồ Bắt đầu Khởi tạo chế độ Có ngắt bàn phím Trương trình Xử lý bàn phím Y TT =0 Stop? Y TT =1 N N TT Run? Y f2>