Nghiên cứu hệ truyền động động cơ trung thế sử dụng bộ biến đổi năm mức dùng diode kẹp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ TRUNG THẾ SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI NĂM MỨC DÙNG DIODE KẸP Chuyên ngành : Điều khiển tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT … Kỹ thuật điều khiển tự động hóa NGƢỜI HƢỚNG DẪN : T.S PHẠM VIỆT PHƢƠNG Hà Nội – Năm 2016 i LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn: “Nghiên cứu hệ truyền động động trung sử dụng biến đổi năm mức dùng diode kẹp” em thực dựa hƣớng dẫn giảng viên TS Phạm Việt Phƣơng tham khảo tài liệu liên quan Nội dung luận văn hoàn toàn thực tế, khách quan chƣa đƣợc sử dụng để bảo vệ học vị Tác giả luận văn Hoàng Trung Hiếu ii Mục lục MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU viii LỜI NÓI ĐẦU ix Lý chọn đề tài ix Lịch sử nghiên cứu ix Mục đích nghiên cứu x Nội dung nghiên cứu đóng góp luận văn x Phƣơng pháp nghiên cứu x CHƢƠNG :GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT 1.2.1 Yêu cầu bên đƣờng dây nguồn cấp 1.2.2 Các yêu cầu bên nguồn vào động 1.2.3 Những hạn chế thiết bị đóng cắt 1.2.4 Yêu cầu hệ truyền động 1.3 NGHIỆP CÁC SẢN PHẨM HỆ TRUYỀN ĐỘNG TRUNG THẾ TRONG CÔNG 1.4 NHẬN XÉT 10 CHƢƠNG CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG TRUNG THẾ 11 2.1 CẤU HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI 11 2.2 BỘ CHỈNH LƢU ĐA XUNG 13 2.2.1 Giới thiệu 13 2.2.2 Chỉnh lƣu diode xung 13 2.2.3 Chỉnh lƣu diode 12 xung 16 2.2.4 Chỉnh lƣu diode 18 xung 19 2.2.5 Chỉnh lƣu diode 24 xung 21 2.2.6 Nhận xét 23 2.3 BỘ NGHỊCH LƢU ĐA MỨC NGUỒN ÁP 23 2.3.1 Giới thiệu nghịch lƣu đa mức nguồn áp 23 ii Mục lục 2.3.2 Nghịch lƣu đa mức cầu H 26 2.3.3 Nghịch lƣu đa mức dùng tụ điện thay đổi 28 2.2.4 Nghịch lƣu đa mức dùng diode kẹp 31 2.4 NHẬN XÉT 34 CHƢƠNG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 35 3.1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM 35 3.1.1 Một số tiêu đánh giá kỹ thuật PWM nghịch lƣu 35 3.1.2 Các dạng sóng mang dùng kỹ thuật PWM 36 3.2 MÔ PHỎNG CHO BỘ NGHỊCH LƢU MỨC DÙNG DIODE KẸP 38 3.2.1 Điều chế độ rộng xung PWM 38 3.2.2 Sơ đồ nghịch lƣu kết phần mềm Matlab Simulink 39 3.3 ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU NGUỒN ÁP (FOC) 41 3.2.1 Nguyên lý điều khiển 42 3.3.2 Mơ hình tính tốn ƣớc lƣợng đại lƣợng phản hồi 46 3.3.3 Hiệu chỉnh tốc độ trƣợt 49 3.3.4 Thiết kế điều khiển dòng điện hệ thống điều khiển vector rotor tựa theo từ thông rotor động không đồng 50 3.3.5 Thiết kế điều khiển từ thông 57 3.3.6 Thiết kế mạch điều khiển tốc độ 58 CHƢƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG 59 4.1 XÂY DỰNG MƠ HÌNH CỦA BỘ NGHỊCH LƢU MỨC DÙNG DIODE KẸP 59 4.1.1 Sơ đồ mạch lực hệ thống 59 4.1.2 Sơ đồ khối biến áp zigzac 60 4.1.3 Khối chỉnh lƣu 24 xung dùng diode 61 4.1.3 Khối nghịch lƣu mức dùng diode kẹp 62 4.1.4 Sơ đồ khối tải khối đo điện áp, dòng điện 63 4.1.5 Sơ đồ khối phát xung điều khiển 64 4.1.6 Kết mô đấu với tải tĩnh RL 65 iii Mục lục 4.2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG NGHỊCH LƢU MỨC DÙNG DIODE KẸP 67 4.2.1 Mơ hình 67 4.2.1 Mô hình điều khiển tốc độ 68 4.2.2 Mơ hình điều khiển FOC 69 4.2.3 Kết mô 69 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 iv Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Dải công suất điện áp hệ truyền động trung (nguồn: Rockwell Automation) Hình 1.2 Biểu đồ tổng quát thị trƣờng cho hệ truyền động trung ( Nguồn: ABB ) Hình 1.3: Sơ đồ tổng quát tryền động trung Hình 1.4 Hệ truyền động trung dùng biến tần NPC mức GCT-based ( ACS1000) Hình 1.5 Hệ truyền động trung IGBT-based three-level NPC inverter (SIMOVERT MV) Hình 1.6 Hệ truyền động trung dùng IGBT cascaded H-bridge inverter-fed (Perfect Harmony) Hình 1.7 Hệ truyền động trung CSI-fed MV drive sử dụng GCTs đối xứng (PowerFlex 7000) Hình 2.1 Các chỉnh lƣu diode/SCR đa xung 11 Hình 2.2 Sơ đồ giản lƣợc VSI pha 11 Hình 2.3 Sơ đồ giản lƣợc CSI pha 12 Hình 2.4 Cấu trúc chỉnh lƣu diode xung với tải điện trở 14 Hình 2.5 Dạng sóng chỉnh lƣu xung dùng diode 16 Hình 2.6 Phân tích fourier dòng điện đầu vào 16 Hình 2.7 Sơ đồ chỉnh lƣu diode dạng 12 xung nối tiếp 17 Hình 2.8 Dạng sóng dịng chỉnh lƣu loại 12 xung nối tiếp 18 Hinh2.9 Giá trị THD dòng điện đầu vào 19 Hình 2.10 Cấu trúc chỉnh lƣu diode 18 xung 19 Hình 2.11 Dạng sóng dịng chỉnh lƣu loại 18 xung nối tiếp 21 Hình 2.12.Giá trị THD dòng điện đầu vào 21 Hình 2.13 Cấu trúc chỉnh lƣu 24 xung 21 Hình 2.14 Dạng sóng dịng chỉnh lƣu loại 24 xung nối tiếp 22 Hình 2.15 Phân tích fourier dịng điện đầu vào 23 v Danh mục hình vẽ Hình 2.16 Bộ nghịch lƣu cầu H pha mức 27 Hình 2.17 Bộ nghịch lƣu mức dung tụ điện thay đổi 29 Hình 2.18 Sơ đồ nghịch lƣu mức dùng diode kẹp 31 Hình 2.19: Sơ đồ pha nghịch lƣu mức sử dụng diode kẹp 33 Hình 3.1: Hình dạng sóng mang APOD 36 Hình 3.2: Hình dạng sóng mang PD 37 Hình 3.3: Hình dạng sóng mang POD 37 Hình 3.4 Đồ thị điều chế 1PWM cho pha nghịch lƣu 5L-NPC 39 Hình 3.5: Sơ đồ nghịch lƣu mức dùng diode kẹp 40 Hình 3.6 D ạng sóng ện áp 40 Hình 3.7 Dạng sóng điện áp pha nghịch lƣu 41 Hình 3.8 Đồ thị vector cho trƣờng hợp tựa hệ trục dq vector từ thong rotor 42 Hình 3.9 Sự tƣơng đồng điều khiển hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor động không đồng động điện chiều kích từ độc lập 43 Hình 3.10 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vector tựa theo từ thông rotor 45 Hình 3.11 Mơ hình dịng điện ƣớc lƣợng tín hiệu 48 Hình 3.12 Ảnh hƣởng thay đổi điện trở rotor đến độ xác mơ hình điều khiển 49 Hình 3.13 Sơ đồ thay gần động không đồng 51 Hình 3.14 Mơ hình gần động không đồng hệ tọa độ d,q tựa theo từ thông rotor 52 Hình 3.15 Cấu trúc điều khiển tách kênh 53 Hình 3.16 Cấu trúc hai điều khiển dòng riêng rẽ tách kênh dòng điện 55 Hình 3.17 Điều khiển dịng điện riêng rẽ có bù sức điện động esd esq 56 Hình 3.18 Mơ hình mạch vịng điều khiển từ thông 57 Hình 3.19.Mơ hình mạch vịng tốc độ 58 Hình 4.1 Sơ đồ mạch lực với tải RL 59 Hình 4.2 Khối biến áp zigzac 60 Hình 4.3 Khối chỉnh lƣu 24 xung dùng diode 61 Hình 4.4 Sơ đồ khối nghịch lƣu mức dùng diode kẹp 62 vi Danh mục hình vẽ Hình 4.5 Sơ đồ khối tải RL khối đo điện áp, dòng điện 63 Hình 4.6 Khối phát xung điều khiển pha nghịch lƣu 64 Hình 4.7 Đồ thị điện áp ba pha ABC 65 Hình 4.8 Đồ thị điện áp Pha A 65 Hình 4.9 Đồ thị dịng điện ba pha ABC 66 Hình 4.10 Đồ thị dịng điện Pha A 66 Hình 4.11 Mơ hình mơ FOC – inverter levels H bridge – động 67 Hình 4.12 Mơ hình điều khiển tốc độ 68 Hình 4.13 Mơ hình điều khiển FOC 69 Hình 4.14 Điện áp pha A (Uaz) 69 Hình 4.15 Điện áp pha B (Ubz) 70 Hình 4.16 Điện áp pha C (Ucz) 70 Hình 4.17 Điện áp dây Uab 71 Hình 4.18 Dịng pha abc 71 Hình 4.19 Dịng điện pha A 72 Hình 4.20 Dịng điện pha B 72 Hình 4.21 Dịng điện pha C 73 Hình 4.22 Dịng điện stator 73 Hình 4.22 Đáp ứng tốc độ 74 vii Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1.1 Tổng quan sản phẩm truyền động trung hãng sản xuất lớn giới 10 Bảng 2.1 Điện áp trạng thái đóng cắt van nghịch lƣu mức cầu H 28 Bảng 2.2 Điện áp trạng thái đóng cắt van nghịch lƣu mức dùng tụ điện thay đổi 30 Bảng 2.3: Trạng thái đóng cắt van nghịch lƣu mức dùng diode kẹp, điện áp pha đầu 32 Bảng 2.5 Trạng thái đóng cắt van, tính pha nghịch lƣu, điện áp pha nghịch lƣu mức dùng diode kẹp 34 Bảng 3.1 Trạng thái đóng cắt van, tính pha nghịch lƣu, điện áp pha 39 Bảng 4.1 Thống số động dùng mô 68 viii Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Lý chọn đề tài Với phát triển ngành thiết bị bán dẫn nhƣ tranzito có cực điều khiển (IGBT) thyristor có cực chuyển mạch (GCTs), hệ truyền động trung đại (modern high-power medium voltage) ngày đƣợc sử dụng nhiều ngành cơng nghiệp nhƣ dầu khí, khai mỏ, thép khống sản, vận tải ngành cơng nghiệp khác giúp bảo toàn lƣợng điện, tăng hiệu suất gia tăng chất lƣợng sản phẩm Ngày điều khiển tốc độ động đƣợc áp dụng rộng rãi ứng dụng với hiệu suất cao nhƣ máy nghiền, bơm, quạt vv Rất nhiều ứng dụng cần sử dụng động trung áp dòng định mức thấp, đặc biệt ứng dụng cơng suất trung bình lớn Với biến tần bậc cổ điển có nhiều phát triển có nhiều ƣu điểm nhờ điều khiển đơn giản, kích cỡ nhỏ gọn nhƣng phù hợp với ứng dụng công suất thấp Hơn nữa, dạng sóng điện áp đầu nghịch lƣu bậc có thành phần hài bậc cao lớn Để cải thiện chất lƣợng dạng sóng đầu nữa, biến tần bậc đƣợc áp dụng Với ƣu điểm bật nhờ giảm định mức dv/dt linh kiện làm tăng công suất biến tần, dạng sóng đầu đƣợc cải thiện nhiều Hiện mơ hình phổ biến cho biến tần công suất lớn điều khiển động điện không đồng với mức điện áp trung Lịch sử nghiên cứu Trong năm gần đây, biến tần đa mức đƣợc nghiên cứu xem nhƣ lựa chọn tốt cho ứng dụng truyền động trung áp Ƣu điểm biến tần đa mức điện áp đặt lên linh kiện giảm xuống nên công suất nghịch lƣu tăng lên, đồng thời công suất tổn hao q trình đóng cắt linh kiện giảm theo Với tần số đóng cắt, thành phần sóng hài bậc cao điện áp nhỏ so với trƣờng hợp biến tần hai mức nên chất lƣợng điện áp tốt ix Chƣơng 4: Xây dựng mơ hình mơ 4.1.3 Khối nghịch lƣu mức dùng diode kẹp Hình 4.4 Sơ đồ khối nghịch lƣu mức dùng diode kẹp 62 Chƣơng 4: Xây dựng mơ hình mơ 4.1.4 Sơ đồ khối tải khối đo điện áp, dịng điện Hình 4.5 Sơ đồ khối tải RL khối đo điện áp, dịng điện 63 Chƣơng 4: Xây dựng mơ hình mô 4.1.5 Sơ đồ khối phát xung điều khiển Hình 4.6 Khối phát xung điều khiển pha nghịch lƣu 64 Chƣơng 4: Xây dựng mô hình mơ 4.1.6 Kết mơ đấu với tải tĩnh RL Hình 4.7 Đồ thị điện áp ba pha ABC Sau để dễ quan sát kết mô ta xét khoảng thời gian xác lập Hình 4.8 Đồ thị điện áp Pha A 65 Chƣơng 4: Xây dựng mơ hình mơ Hình 4.9 Đồ thị dịng điện ba pha ABC Hình 4.10 Đồ thị dịng điện Pha A Nhận xét: 66 Chƣơng 4: Xây dựng mơ hình mô Bộ nghịch lƣu tạo đƣợc mức điện áp nhƣ mong muốn Chất lƣợng điện áp tốt, có mức Dịng điện pha dạng sine, đẹp Kết mô chạy với tải RL cho dạng điện áp dịng điện có chất lƣợng đẹp gần dạng sin Vì biến tần nguồn áp nên điện áp không phụ thuộc vào tải 4.2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG NGHỊCH LƢU MỨC DÙNG DIODE KẸP 4.2.1 Mơ hình Hình 4.11 Mơ hình mơ FOC – inverter levels H bridge – động Ta tiến hành mơ mơ hình nhƣ hình 4.11 Ở tần số băm xung PWM ta chọn fPWM = 5000Hz, hệ số điều chế ma = 0.8 Động không đồng ba pha với thơng số: 67 Chƣơng 4: Xây dựng mơ hình mô Các thông số động Công suất động cơ: 1250 hp Điện trở mạch Stator: = 0.21Ω Điện áp định mức: 4160V Điện trở mạch Rotor: = 0.146Ω Dòng định mức: 150A Giá trị điện cảm mạch Stator: Tốc độ định mức: 1189rpm Giá trị điện trở rotor quy stator: Số đôi cực động cơ: Giá trị hỗ cảm stator rotor: = 5.2 mH Mơ men qn tính: J = 22 Bảng 4.1 Thống số động dùng mô 4.2.1 Mô hình điều khiển tốc độ Hình 4.12 Mơ hình điều khiển tốc độ Chọn điều khiển dòng điện : Kp = 200, Ki =2000 68 = 5.2 mH = 155 mH Chƣơng 4: Xây dựng mơ hình mơ 4.2.2 Mơ hình điều khiển FOC Hình 4.13 Mơ hình điều khiển FOC 4.2.3 Kết mơ Hình 4.14 Điện áp pha A (Uaz) 69 Chƣơng 4: Xây dựng mơ hình mơ Hình 4.15 Điện áp pha B (Ubz) Hình 4.16 Điện áp pha C (Ucz) 70 Chƣơng 4: Xây dựng mô hình mơ Hình 4.17 Điện áp dây Uab Hình 4.18 Dịng pha abc 71 Chƣơng 4: Xây dựng mơ hình mơ Hình 4.19 Dịng điện pha A Hình 4.20 Dịng điện pha B 72 Chƣơng 4: Xây dựng mơ hình mơ Hình 4.21 Dịng điện pha C Hình 4.22 Dịng điện stator 73 Chƣơng 4: Xây dựng mơ hình mơ Hình 4.22 Đáp ứng tốc độ Hình 4.23 Đáp ứng momen Nhận xét: + Điện áp dòng điện thỏa mãn với điện áp dòng điện yêu cầu Điện áp pha mức dòng điện pha sin + Đáp ứng tốc độ tốt, bám giá trị lƣợng đặt + Đáp ứng mô men tốt, bám giá trị lƣợng đặt 74 Kết luận KẾT LUẬN Đề tài “Nghiên cứu hệ truyền động động trung sử dụng biến đổi năm mức dùng diode kẹp” đề tài rộng có nhiều hƣớng phát triển chuyên sâu Trong phạm vi luận văn em tập trung tìm hiểu, phân tích ngun lý hoạt động chỉnh lƣu đa xung, nghịch lƣu mức dùng diode kẹp phƣơng pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor (FOC) Luận văn làm sáng tỏ, đặc tính nhƣ ƣu điểm nghịch lƣu đa mức dùng diode kẹp ứng dụng vào truyền động điện trung áp Trên thực tế nhiều cấu trúc khác cho hệ truyền động trung áp đƣợc hãng nghiên cứu,chế tạo để ứng dụng công nghiệp Các vấn đề chuyên sâu hơn, nhƣ ảnh hƣởng điện trở rotor trình hoạt động, xử lý biến tần độ mở vào vùng tới hạn, khả nguyên tắc xử lý điện áp trƣờng hợp vƣợt giới hạn điều khiển…, luận văn giới thiệu qua nhằm có nhìn tổng qt vấn đề phát sinh thực tế ứng dụng nghịch lƣu đa mức, vấn đề phát triển thêm luận văn Sau thời gian cố gắng thân dƣới hƣớng dẫn tận tình thầy giáo TS Phạm Việt Phƣơng, em hoàn thành luận văn thời hạn Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hƣớng dẫn thầy cô mơn Tự Động Hóa Xí Nghiệp Cơng Nghiệp Mặc dù có nhiều cố gắng q trình làm luận văn nhƣng thời gian có hạn nhƣ trình độ thân hạn chế nên luận văn dừng lại mức nghiên cứu không tránh khỏi cịn nhiều thiếu sót Em kính mong đƣợc hƣớng dẫn góp ý thầy giáo để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn, Em xin chân thành cảm ơn! 75 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, (2007), Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất khoa học kĩ thuật Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến, Đoàn Quang Vinh, (2003), Điều khiển động xoay chiều cấp từ biến tần bán dẫn, Nhà xuất khoa học kĩ thuật Bùi Quốc Khánh,Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dƣơng Văn Nghi, ( 2006), Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB khoa học kĩ thuật Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, NXB khoa học kĩ thuật Nguyễn Phùng Quang, Matlab Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động, NXB khoa học kĩ thuật Bin Wu, High Power converters and AC drivers 76 ... khiển động điện không đồng với mức điện áp trung Lịch sử nghiên cứu Trong năm gần đây, biến tần đa mức đƣợc nghiên cứu xem nhƣ lựa chọn tốt cho ứng dụng truyền động trung áp Ƣu điểm biến tần đa mức. .. trƣớc nghịch lƣu dùng diode kẹp NPC mức sử dụng GCT Hình 1.4 Hệ truyền động trung dùng biến tần NPC mức GCT-based ( ACS1000) Chƣơng 1:Giới thiệu chung Hình 1.5 Hệ truyền động trung IGBT-based... sóng, ta sử dụng nghịch lƣu dùng diode kẹp mức cao hơn, Hình 3-4 đƣa sơ đồ pha nghịch lƣu mức sử dụng diode kẹp 32 Chƣơng 2:Cấu trúc hệ truyền động trung Nghịch lƣu mức (n=5) Nghịch lƣu mức (n=4)