Nghiên cứu hệ thống biến tần động cơ khi làm việc ở các tần số khác định mức của động cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM HÙNG PHẠM HÙNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN KHI LÀM VIỆC Ở CÁC TẦN SỐ KHÁC ĐỊNH MỨC CỦA ĐỘNG CƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN KHÓA 2009 - 2011 Hà Nội - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM HÙNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ KHI LÀM VIỆC Ở CÁC TẦN SỐ KHÁC ĐỊNH MỨC CỦA ĐỘNG CƠ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN VĂN THỊNH HÀ NỘI - 2012 LỜI CAM ĐOAN Tên là: Phạm Hùng Sinh ngày: 30 tháng 05 năm 1982 Hiện công tác tại: Phòng Cao áp – Viện Năng lượng – Bộ Công thương Đề tài thực luận văn thạc sỹ: “Nghiên cứu hệ thống biến tần động làm việc tần số khác định mức động cơ” Được thực trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trong thời gian thực luận văn giúp đỡ nhiệt tình TS Trần Văn Thịnh nên đề tài hoàn thành tiến độ giao Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu Nội dung luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khoa học Cuối tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Trần Văn Thịnh, thầy cô môn Thiết bị điện-điện tử, Khoa Điện trường Đại học Bách khoa Hà Nội, gia đình bạn bè giúp đỡ động viên đóng góp ý kiến quý báu để tơi hồn thành tốt luận văn Xin trân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 03 tháng năm 2012 Tác giả Phạm Hùng MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v MỞ ĐẦU Chương – TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BẰNG TẦN SỐ 1.1 Biến tần tầm quan trọng biến tần công nghiệp 1.2 Phân loại biến tần 1.2.1 Biến tần trực tiếp 1.2.2 Biến tần gián tiếp 1.3 Điều khiển biến tần kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) 11 1.3.1 Phương pháp điều biến dựa song mạng CB-PWM 13 1.3.2 Phương pháp điều chế véc tơ không gian 15 1.4 Mạch nghịch lưu dòng điện 20 1.5 Bộ điều chỉnh dòng điện cho hệ thống truyền động Biến tần – Động không đồng 23 1.5.1 Các đặc điểm chung dòng điện xoay chiều 23 1.5.2 Bộ điều chỉnh dịng điện có đặc tính trễ 25 1.5.3 Bộ điều khiển dòng điện PI kết hợp khâu so sánh 28 1.6 Các phương pháp điều khiển tần số 31 1.6.1 Phương pháp điều khiển vô hướng 35 1.6.2 Phương pháp điều khiển vectơ 36 Chương – MƠ HÌNH TỐN HỌC ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO LỒNG SĨC 2.1 Hệ phương trình động KĐB ba pha roto lồng sóc 39 39 2.2 Biến đổi hệ tọa độ phương trình đặc tính động động KĐB 47 2.2.1 Động không đồng cực lý tưởng 47 2.2.2 Nguyên lý biến đổi biến từ pha thành pha 49 2.2.3 Biểu diễn véc tơ không gian đại lượng pha động KĐB 50 2.2.4 Một số hệ tọa độ dùng nghiên cứu động KĐB 56 2.2.4.1 Hệ tọa độ cố định với stato (Hệ tọa độ αβ) 56 2.2.4.2 Hệ tọa độ cố định với từ trường quay (Hệ tọa độ dq) 57 2.2.5 Mối liên hệ điện cảm hỗ cảm cuộn dây máy điện KĐB với tham số tính tốn 2.2.6 Biến đổi hệ phương trình vi phân động KĐB 59 60 2.2.6.1 Hệ phương trình vi phân động KĐB hệ tọa độ pha tổng quát uv 60 2.2.6.2 Hệ phương trình vi phân mơ hình động KĐB hệ tọa độ αβ 71 2.2.6.3 Hệ phương trình vi phân mơ hình động KĐB hệ tọa độ dq 73 2.3.Tổn hao hệ thống truyền động điện động KDB tần số gây 75 2.3.1 Tổn hao sóng hài 75 2.3.2 Tổn hao tần số 2.3.3 Tính tốn tổn hao 75 2.3.3.1 Tính tốn tổn hao đồng tổn hao phụ 2.3.3.2 Các tổn hao sắt 2.3.3.3 Tổn hao Chương – MÔ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG 76 76 78 80 82 3.1 Giới thiệu phần mềm Matlab 82 3.2 Mô hệ truyền động biến tần - động không đồng 84 3.3 Hệ truyền động biến tần-động KĐB làm việc tần số khác 87 3.3.1 Tại tần số f = 50Hz 87 3.3.2 Tại tần số f = 50% fđm 90 3.3.3 Tại tần số f = 10% fđm 93 3.4 Phân tích tổn thất của ĐCKĐB làm việc với dải tần số khác momen tải tăng dần 3.5 Quan hệ hiệu suất tốc độ roto ứng với momen tải KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC iii 95 98 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT U1m : Biên độ điện áp song bậc U1,2,3… : Điện áp pha nghịch lưu αβ : Hệ tọa độ cố định gắn stato dq : Hệ tọa độ cố định gắn với từ trường quay T1,2,3… : Các tiristo ψs: Biên độ từ thông stato ψA,B,C: từ thơng móc vịng pha A,B,C stato ψa,b,c: từ thơng móc vịng pha a,b,c roto UA,B,C: Giá trị tức thời điện áp pha A,B,C stato iA,B,C: Giá trị tức thời dòng điện pha A,B,C stato ia,b,c: Giá trị tức thời dòng điện pha a,b,c roto r1: Điện trở pha stato r2: Điện trở pha roto quy đổi stato MSR : Ma trận hỗ cảm stato roto LR : Ma trận điện cảm hỗ cảm roto M: Mômen động Mc : Mô men cản FOC: (Fielded Orient Control) Phương pháp điều khiển tựa từ trường ĐC KĐB: Động không đồng DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Các trạng thái chuyển mạch 15 iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Cấu trúc tổng quan biến tần gián tiếp Hình 1.2 Cấu trúc số chỉnh lưu sử dụng cho biến tần gián tiếp Hình 1.3 Các cấu trúc chỉnh lưu cho phép nghịch lưu trả NL lưới Hình 1.4 Hãm tái sinh giảm tốc độ đột ngột Hình 1.5 Cấu trúc nghịch lưu ba mức Hình 1.6 Cấu trúc phổ biến biến tần gián tiếp 10 Hình 1.7 Các kĩ thuật PWM 11 Hình 1.8 Đặc tính điều khiển biến tần PWM 12 Hình 1.9 Bộ nghịch lưu hai mức IGBT 15 Hình 1.10 Điện áp pha trạng thái tích cực nghịch lưu 16 Hình 1.11 Biểu diễn véctơ không gian điện áp trạng thái khác 16 Hình 1.12 Tạo véctơ khơng gian SVM 18 Hình 1.13 Kỹ thuật điều chế véctơ khơng gian 18 Hình 1.14 Sơ đồ mạch nghịch lưu dịng điện điển hình 20 Hình 1.15 Sơ đồ nối dây chuyển mạch dạng dòng điện pha 21 Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu dịng điện dùng IGBT 22 Hình 1.17 Đặc tính động biến tần nguồn áp nguồn dòng 22 Hình 1.18 Hệ thống biến tần PWM với điều chỉnh dịng điện xoay chiều 24 Hình 1.19 Sơ đồ khối điều chỉnh dịng điện xoay chiều có trễ 26 Hình 1.20 Dạng dịng điện đặt thực phân tích 27 Hình 1.21 Các đồ thị chuyển mạch dịng (a,b) 27 Hình 1.22 Sơ đồ điều khiển dòng điện PI với khâu so sánh 28 Hình 1.23 Quan hệ thành phần điện áp hệ số điều biến 30 Hình 1.24 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động với điều chỉnh dòng điện 31 hệ tọa độ d,q Hình 1.25 Phân loại phương pháp điều khiển thay đổi tần số động 34 khơng đồng Hình 1.26 Quan hệ U/f 35 v Hình 1.27 Sơ đồ khối điều khiển theo luật U/f vịng hở 36 Hình 1.28 Phân loại phương pháp FOC 37 Hình 1.29 Cấu trúc điều khiển hướng trường gián tiếp 38 Hình 2.1 Mơ hình đơn giản động pha roto lồng sóc 41 Hình 2.2 Sơ đồ động khơng đồng pha 49 Hình 2.3 Sơ đồ biến đổi máy điện pha thành pha 50 Hình 2.4 Véc tơ khơng gian đại lượng pha 53 Hình 2.5 Véctơ khơng gian đại lượng pha hệ tọa độ phức u,v 54 Hình 2.6 Biểu diễn véctơ dòng điện hệ tọa độ αβ cố định với stato 58 Hình 2.7 Hệ tọa độ gắn với từ trường quay (hệ dq) 59 Hình 2.8 Mơ hình động khơng đồng hệ tọa độ tổng qt uv 71 Hình 2.9 Mơ hình động khơng đồng hệ tọa độ αβ 72 Hình 2.10 Mơ hình động khơng đồng hệ tọa độ αβ 75 hình 3.1 hệ truyền động biến tần – ĐC KĐB mạch hở 85 Hình 3.2 Sơ đồ Matlab hệ thống 86 Hình 3.3 Khối nguồn pha chỉnh lưu có điều khiển 87 Hình 3.4 Khối tạo xung nghịch lưu 87 Hình 3.5 Khối nghịch lưu 88 hình 3.6 Mơ tốc độ, momen, dịng điện f = fđm 90 hình 3.7 Mơ tốc độ, momen, dịng điện f = 50%fđm 92 hình 3.8 Mơ tốc độ, momen, dịng điện f = 10%fđm 94 hình 3.9 tổn thất đồng Pcu, sắt Pfe tổn thất tổng ∆P f = fđm = 50Hz 96 hình 3.10 tổn thất đồng Pcu, sắt Pfe tổn thất tổng ∆P f = 2/3 fđm 97 hình 3.11 tổn thất đồng Pcu, sắt Pfe tổn thất tổng ∆P f = 1/3 fđm 98 hình 3.12 quan hệ hiệu suất tốc độ với momen tải = 14,7Nm 99 hình 3.13 quan hệ hiệu suất tốc độ với momen tải khác 100 vi MỞ ĐẦU MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện hệ truyền động biến tần động không đồng roto lồng sóc sử dụng phổ biến động khơng đồng có cấu tạo đơn giản, khơng có tiếp xúc điện, làm việc tin cậy, phải bảo dưỡng Thực tiễn hệ truyền động biến tần động khơng đồng roto lồng sóc đạt tiến vượt bậc vòng hai thập kỷ vừa qua cho phép điều khiển thời gian thực với chất lượng điều khiển cao đáp ứng u cầu khắt khe cơng nghệ địi hỏi chủ yếu nhờ phát triển nhanh chóng cơng nghệ vi điện tử, khoa học máy tính, công nghệ bán dẫn công suất kỹ thuật điều khiển Do số lượng lớn hệ truyền động điện sử dụng động không đồng bộ, điều có nghĩa phần lớn lượng điện công nghiệp tiêu thụ hệ truyền động điện động khơng đồng Vì việc nghiên cứu tìm nguyên nhân để giảm thiểu tổn thất tiêu thụ nâng cao hiệu suất cho hệ truyền động điện cần thiết Sau hoàn thành, luận văn góp phần làm rõ lý thuyết cho biết số hướng tính tốn để làm giảm tổn thất tăng hiệu suất hệ truyền động động khơng đồng Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài Dù mang tính thực tiễn ứng dụng cao nghiên cứu nguồn chuyển mạch chưa đầy đủ để đáp ứng đòi hỏi ngày phức tạp thực tế Mặt khác, tính cạnh tranh thương mại mà nhà sản xuất đưa sản phẩm chất lượng không công bố lý thuyết kèm theo Vì vậy, người dùng cần sửa chữa muốn tự thiết kế theo yêu   Chương 3: Mơ hình hóa mơ   Khối nghịch lưu: Hình 3.5 Khối nghịch lưu 3.3 Hệ truyền động biến tần – ĐC KĐB làm việc tần số khác Ta khảo sát với động có thơng số : Pđm = 4KW N = 1430 rpm Uđm = 400 V, Điện trở stato Rs = 1,4 ; Điện cảm móc vịng Lis = 0.0054 Điện trở roto Rr = 1.395; Điện cảm móc vịng Lir’ = 0.0054 Điện cảm từ hóa Lm = 0.1722mH 3.3.1 Tại tần số định mức fđm = 50Hz Lúc đầu động khởi động không tải Tại thời điểm t = 0.4 ta đóng vào tải có momen cản khơng đổi Mc = 27 (Nm)   88       Chương 3: Mơ hình hóa mơ     89       Chương 3: Mơ hình hóa mơ   hình 3.6 Mơ tốc độ, momen, dòng điện f = fđm   90       Chương 3: Mơ hình hóa mơ   3.3.2 Tại tần số f = ½ fđm Lúc đầu động khởi động không tải Tại thời điểm t = 0.4 ta đóng vào tải có momen cản khơng đổi Mc = 27 (Nm)   91       Chương 3: Mơ hình hóa mơ   hình 3.7 Mơ tốc độ, momen, dịng điện f = 50%fđm   92       Chương 3: Mô hình hóa mơ   3.3.3 Tại tần số f = 10%fđm Momen (N.m)   93       Chương 3: Mơ hình hóa mơ   hình 3.8 Mơ tốc độ, momen, dịng điện f = 10%fđm   94       Chương 3: Mơ hình hóa mơ   * Nhận xét: Từ kết mô ta nhận thấy thay đổi tần số động f < fđm hiệu suất động nhỏ Sở dĩ giảm tần số động thơng số động bị ảnh hưởng nhiều theo chiều hướng bất lợi nên tổn hao tương ứng tăng tỷ lệ dẫn đến hiệu suất động giảm rõ rệt Tần số nguồn cấp cho động giảm dao động dịng điện momen tăng lên rõ rệt Trong trình độ (quá trình khởi động) biên độ max momen lớn ta giảm tần số xuống thấp Điều giải thích sau: - Sự thay đổi tần số dòng điện roto gây nên ảnh hưởng hiệu ứng mặt làm cho điện trở roto thay đổi, động không đồng công suất lớn để cải thiện đặc tính mở máy người ta thường chế tạo roto rãnh sâu Khi tần số dòng điện roto cao, ảnh hưởng hiệu ứng mặt mà dịng điện tập trung lên phía dẫn làm tăng trị số điện trở đồng thời làm giảm điện kháng roto tổng ống từ tản rãnh giảm xuống - Do có tượng bão hòa mạch từ mà chủ yếu tượng bão hịa từ thơng tản gây làm cho trị số điện kháng x1, x2 giảm xuống Với dịng điện khởi động lớn thay đổi điện kháng rõ rệt trực tiếp gây ảnh hưởng đến đặc tính khởi động động khơng đồng Ta giảm tần số cấp cho động đến tần số định mà thơi Dưới tần số tốc độ động   95       Chương 3: Mô hình hóa mơ   3.4 Phân tích tổn thất của ĐCKĐB làm việc với dải tần số khác momen tải tăng dần Cho Mc thay đổi khoảng 0.1 đến 30 Nm ta mô tổn thất ∆Ptổng ∆Pcu1 ∆Pcu2 ∆Pfe Tại f = fđm = 50Hz : hình 3.9 tổn thất đồng Pcu, sắt Pfe tổn thất tổng ∆P f = fđm = 50Hz   96       Chương 3: Mơ hình hóa mơ   Tổn thất động (W) Tại f = 2/3 fđm Tổn thất động (W) Mc (N.m) Mc (N.m) hình 3.10 tổn thất đồng Pcu, sắt Pfe tổn thất tổng ∆P f = 2/3 fđm   97       Chương 3: Mơ hình hóa mô   Tại f = 1/3 fđm Tổn thất động (W) Mc (N.m) Mc (N.m) hình 3.11 tổn thất đồng Pcu, sắt Pfe tổn thất tổng ∆P f = 1/3 fđm   98       Chương 3: Mơ hình hóa mơ   Nhận xét: Ta thấy momen tăng thành phần tổn hao đồng tăng lớn nhiên thành phần tổn hao sắt lại tăng Thành phần tổn hao sắt tăng nhỏ theo momen tải độ trượt s tăng, hay tần số roto tăng, s nhỏ nên lượng tổn hao tăng khơng đáng kể Trong ta giảm tần số nhỏ tần số định mức thành phần tổn hao sắt tổn hao tăng lớn, cịn thành phần tổn hao đồng khơng thay đổi Do tăng momen tổng tổn hao tăng mạnh chủ yếu thành phần tổn hao đồng gây ra, cịn giảm tần số tổng tổn hao tăng thành phần tổn hao sắt gây 3.5 Quan hệ hiệu suất tốc độ roto ứng với momen tải Động 4kW hoạt động với momen tải khơng đổi 14,7Nm hình 3.12 quan hệ hiệu suất tốc độ với momen tải = 14,7Nm Để có nhìn tổng quan ta xây dựng đồ thị đường đặc tính ứng với momen tải khác   99       Chương 3: Mơ hình hóa mơ   hình 3.13 quan hệ hiệu suất tốc độ với momen tải khác Nhận xét: Khi động làm việc vùng tốc độ thấp điểm momen cho hiệu suất cao dịch chuyển phía có momen thấp vùng momen cho hiệu suất cao thu hẹp Sở dĩ có tượng tành phần tổn hao đồng gần không phụ thuộc vào tốc độ động mà phụ thuộc vào momen, thành phần tổn hao sắt tỷ lệ với tốc độ lại chiếm tỷ lệ nhỏ nhiều so với tổn hao đồng nên điểm momen cho hiệu suất cao dịch chuyển phái có momen thấp   100     TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh (2007), Điện tử công suất, NXB Khoa học Kỹ thuật Trần Văn Thịnh, Hà Xuân Hòa, Nguyễn Thành Khang, Nguyễn Thanh Sơn, Nguyễn Vũ Thanh (2010), Tính tốn thiết kế thiết bị điều khiển, NXB Giáo dục Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu (1998), Máy điện Tập I, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh (2001), Thiết kế máy điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh (2007), Điện tử công suất, NXB Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Phùng Quang (2006), Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học Kỹ thuật Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2009), Cơ sở truyền động điện, NXB Khoa học Kỹ thuật Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2008), Cơ sở truyền động điện, NXB Khoa học Kỹ thuật Tiếng Anh Bimal K.Bose (1984), Power Electronics and AC Drives, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jessy 10 Kim H.G., Sui S.K., Park M.H (1984), Optimal Efficiency Drive of a Current Source Inverter fed Induction Motor by Flux Control, IEEE press 11 Kirschen D.S., Novotny D.W, Lipo T.A (1985,), Online Efficiency Optimiiation o f a variable Frequency Inductỉon Motor Drives, IEEE press 12 Adrian Biran, Moshe Breiner (1996), MATLAB for Engineers, Addison-Wesley publishing Company 102 13 Bernard Adkins (1962), The general theory of electrical machines, Chapman and Hall LTD, London 14 D.M.Etter (1993), Engineering Problem Solving with Matlab, Prentice-Hall International, Inc 15 Duane, Haselman (1998), Mastering Matlab , Prentice - Hall, NewYork 16 Peter Vas (1990) Vector Control of AC Machines, Clarendon Press Oxford 17 Robert.H.Bishop (1996), Modern Control Systems Analysis and Design Using Matlab and Simulink, Addison Wesley Longman, Inc 18 S.Halasz(1981), Voltage spectrum of Pulse Width Modulated Inverters, Budapest 19 Srinivas p , and Other (2000), Gereralized system design & Analysis of PWM based Power Electronic converter, IEEE Transaction on IA 20 Wayne Beaty (1998), Electric motor handbook, Me Graw - Hin, NewYork 103 ... VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM HÙNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ KHI LÀM VIỆC Ở CÁC TẦN SỐ KHÁC ĐỊNH MỨC CỦA ĐỘNG CƠ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA... 3.2 Mô hệ truyền động biến tần - động không đồng 84 3.3 Hệ truyền động biến tần- động KĐB làm việc tần số khác 87 3.3.1 Tại tần số f = 50Hz 87 3.3.2 Tại tần số f = 50% fđm 90 3.3.3 Tại tần số f... khi? ??n động tần số Nghiên cứu sâu ảnh hưởng tần số đến tổn thất đồng Pcu, sắt Pfe hiệu suất động *Phạm vi nghiên cứu: Luận văn nghiên cứu kỹ thuật liên quan tới biến tần Nghiên cứu ảnh hưởng tần