Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng hài khi sử dụng biến tần đến đặc tính của động cơ không đồng bộ 3 pha ROTO lồng sóc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM MINH TÚ PHẠM MINH TÚ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI KHI SỬ DỤNG BIẾN TẦN ĐẾN ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ PHA ROTO LỒNG SĨC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN KHOÁ 2010-2012 Người hướng dẫn khoa học: Nguyễn Hồng Thanh Hà Nội – 2012 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN Trang i MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ii iv DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU v vi CHƯƠNG I: MƠ HÌNH TỐN VÀ CÁC DẠNG TỔN HAO CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ PHA ROTO LỒNG SĨC 1.1 Phương trình đặc tính động khơng đồng 1.2 Khái quát tổn hao động không đồng 1.2.1 Tổn hao trực tiếp 1.2.2 Tổn hao gián tiếp 1.3 Sóng hài thời gian ĐCKĐB 1.4 Thành lập hệ phương trình vi phân động không đồng 1.5 Một số hệ tọa độ thường dùng nghiên cứu ĐCKĐB 10 10 11 12 14 1.5.1 Hệ tọa độ cố định Stato (hệ tọa độ α, β) 1.5.2 Hệ tọa độ tựa theo từ thông Roto ( hệ tọa độ d, q) 18 19 19 1.6 Mơ hình hóa ĐCKĐB ba pha hệ tọa độ (α, β) 20 1.7 Đặc tính momen tốc độ ĐCKĐB ba pha 21 1.8 Xác định thành phần công suất theo hệ tọa độ α, β 22 Kết luận chương I CHƯƠNG II: CÁC LOẠI BIẾN TẦN SỬ DỤNG PHỔ BIẾN ĐIỀU KHIỂN 24 ĐCKĐB 25 2.1 Khái quát chung 2.2 Biến tần quay 2.3 Biến tần tĩnh ( biến tần bán dẫn) 2.3.1 Biến tần trực tiếp 2.3.2 Biến tần độc lập 2.4.Bộ lọc 2.4.1 Bộ lọc san phẳng điện áp chỉnh lưu 2.4.2 Lọc sóng hài đầu biến tần Kết luận chương II CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP CỦA BIẾN TẦN VỚI 25 25 26 26 29 35 35 36 37 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG ii 38 Trang 3.1 Giới thiệu chung 3.2 Các luật điều chỉnh hệ biến tần – động không đồng 3.2.1 Luật điều chỉnh giữ khả tải không đổi 3.2.2 Luật điều chỉnh từ thông không đổi 3.2.3 Luật điều chỉnh tần số trượt không đổi 3.3 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM 3.3.1 PWM hình sin ( SPWM- Sinnussoidal PWM) 3.3.2 PWM hài bậc ba ( HPWM- Third Harmonic PWM) 3.3.3 PWM 600 3.4 Phân tích chất lượng điện áp biến tần điều khiển theo kỹ thuật PWM 38 38 39 42 43 44 46 49 51 phân tích chuỗi Fourier rời rạc 3.5 Phân tích hài điện áp đầu biến tần điều khiển theo kỹ thuật PWM 53 3.5.1 Phổ sóng hài điện áp biến tần điều khiển theo kỹ thuật PWM 3.5.2 Phân tích phổ sóng hài điện áp biến tần điều khiển theo kỹ thuật PWM thay đổi luật điều chỉnh điện áp – tần số Kết luận chương III CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC KỸ THUẬT PWM LÊN ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 58 62 4.1 Giới thiệu ngơn ngữ MATLAB 4.2/ Khảo sát ĐCKĐB nguồn cấp sin chuẩn 4.3 Đánh giá phân tích ảnh hưởng kỹ thuật điều chế PWM đến ĐCKĐB 4.3.1 Kỹ thuật điều chế PWM hình sin 4.3.2 Kỹ thuật điều chế PWM hài bậc 4.3.3 Kỹ thuật điều chế PWM 600 4.4 Khảo sát ảnh hưởng tần số sóng mang fc lên ĐCKĐB 4.5 Khảo sát ảnh hưởng thay đổi tần số làm việc đến động 4.6 Đặc tính momen ứng với thành phần hài bậc cao Kết luận chương IV KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Tài liệu tham khảo Phụ lục iii 58 69 70 70 72 75 75 78 79 80 81 88 97 98 TK-1 PL-1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT uA,B,C: Giá trị tức thời điện áp pha A,B,C Stato ua,b,c: Giá trị tức thời điện áp pha a,b,c Roto 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 ΨA,B,C: từ thơng móc vịng pha Stato Ψa,b,c: từ thơng móc vịng pha Roto r1: Điện trở dây quấn Stato r2' : Điện trở dây quấn Roto quy đổi Stato M: Momen động Mc: Momen cản tải T1, T2 : Thyristor D1, D2 : Diôt PWM: ( Pulse width modulation) Điều chế độ rộng xung SPWM: ( Sinnussoidal PWM) PWM hình sin HPWM: ( Third harmonic PWM) PWM hài bậc ba SVM: ( Space vecto modulation) Điều chế vectơ không gian CL: Bộ chỉnh lưu NL: Bộ nghịch lưu AC: (Alternating current) dòng điện xoay chiều DC: (Direct current) dòng điện chiều DFT: (Discrete Fourier Transform) chuyển đổi chuỗi Fourier rời rạc FFT: (Fast Fourier Transform) chuyển đổi chuỗi Fourier nhanh ĐC: Động ĐCKĐB: Động không đồng iv DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Sóng hài thời gian thứ tự thuận, thứ tự nghịch thứ tự khơng 19 Bảng 3.1 Phổ sóng hài điện áp phương pháp PWM 62 Bảng 3.2 Phổ sóng hài PWM hình sin thay đổi điện áp - tần số theo luật U/f = const 63 Bảng 3.3 Phổ sóng hài PWM hình sin thay đổi điện áp - tần số theo luật 64 U = const f Bảng 3.4 Phổ sóng hài PWM hình sin thay đổi điện áp - tần số theo luật U = const f2 Bảng 3.5 Phổ sóng hài PWM hài bậc thay đổi điện áp - tần số theo luật U/f = 65 66 const Bảng 3.6 Phổ sóng hài PWM 600 thay đổi điện áp - tần số theo luật U/f = const 67 Bảng 4.1: Khảo sát tổn hao đồng dây quấn động với kỹ thuật điều chế khác 86 nhau, tải định mức Bảng 4.2 Độ thay đổi thông số ĐCKĐB ứng với kỹ thuật PWM so với nguồn 95 cấp sin chuẩn tần số làm việc 50 Hz Bảng 4.3 Độ thay đổi thông số ĐCKĐB ứng với kỹ thuật PWM hai tần số làm việc khác v 96 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ mạch điện thay pha ĐCKĐB ứng với sóng Trang Hình 1.2: Sơ đồ mạch điện thay đơn giản pha ĐCKĐB ứng với sóng Hình 1.3: Sơ đồ mạch điện thay Thevenin pha ĐCKĐB ứng với sóng Hình 1.4: Sơ đồ mạch điện thay tổng qt cho sóng bậc cao Hình 1.5: Quan hệ momen - tốc độ ( hệ số trượt) ứng với sóng ĐCKĐB Hình 1.6: giản đồ lượng ĐCKĐB 10 Hình 1.7: Xếp chồng stđ bậc quay theo chiều (+) stđ bậc quay theo chiều (+) 13 Hình 1.8: Xếp chồng stđ bậc quay theo chiều (+) stđ bậc quay theo chiều (-) 13 Hình 1.9: Mơ hình đơn giản động khơng đồng pha roto lồng sóc 14 Hình 1.10: Biểu diễn vecto điện áp hệ tọa độ α,β cố định với stato 19 Hình 1.11a: Kết mơ động khơng đồng pha 14kW-1480vg/ph 22 Hình 1.11b: Đường cong thực nghiệm ĐCKĐB3 pha 14kW-1480vg/ph 22 Hình 2.1: Cấu trúc biến tần quay MFĐXC 25 Hình 2.2: cấu trúc biến tần trực tiếp 26 Hình 2.3: Sơ đồ mạch dạng song biến tần trực tiếp pha 26 Hình 2.4: Biến tần pha có điểm trung tính 27 Hình 2.5: Dạng điện áp biến tần trực tiếp pha có điểm tính với góc mở α 27 = 300, tải trở Hình 2.6: Biến tần trực tiếp cấp từ nguồn pha 28 Hình 2.7: Dạng sóng điện áp biến tần trực tiếp cấp từ nguồn ba pha 28 Hình 2.8: đồ thị điện áp dòng điện biến tần trực tiếp 29 Hình 2.9: cấu trúc hệ biến tần độc lập- ĐC 29 Hình 2.10: Biến tần nguồn dịng ba pha 31 Hình 2.11: Thứ tự cấp xung điều khiển van bán dẫn 31 Hình 2.12 : Biến tần nguồn áp ba pha dùng Transistor 32 Hình 2.13: Biến tần nguồn áp ba pha dùng thyristor 33 Hình 2.14: Mạch điện thay T1-T2-T6 dẫn dòng 33 Hình 2.15: Trình tự điều khiển van dạng điện áp biến tần 34 Hình 2.16: Biến tần nguồn áp ba pha dùng GTO 34 Hình 2.17: Biến tần nguồn áp ba pha dùng transistor loại MOSFET 35 Hình 2.18: Biến tần nguồn áp ba pha dùng transistor loại IGBT 35 vi Trang Hình 2.19: a Bộ lọc thơng thấp / b Bộ lọc cộng hưởng 36 Hình 3.1: Đặc tính hệ truyền động thay đổi tần số - điện áp giữ 41 λM = M th = const với tải khác M Hình 3.2: Đặc tính U/f theo lý thuyết (a) thực tế (b), cần momen lớn (c) hay nhỏ 41 (d) Hình 3.3: Quan hệ Is(ωs) từ thơng Ψs = const 43 Hình 3.4: Đặc tính theo luật điều chỉnh tần số trượt khơng đổi 44 Hình 3.5: Nghịch lưu PWM với thời gian an toàn 45 Hình 3.6: Tín hiệu điều khiển PWM 46 Hình 3.7: PWM hình sin 46 Hình 3.8: Minh họa điện áp theo kỹ thuật PWM hình sin 48 Hình 3.9: Dạng sóng mơ kỹ thuật điều chế PWM hình sin với tần số fr = 50 48 Hz, fc = 750 Hz Hình 3.10: Minh họa điện áp theo kỹ thuật PWM hài bậc 50 Hình 3.11: Dạng sóng mơ kỹ thuật điều chế PWM hài bậc với fr = 50 Hz, 50 fc = 750 Hz Hình 3.12: Minh họa điện áp theo kỹ thuật PWM 600 51 Hình 3.13: Dạng sóng mơ kỹ thuật PWM 600 với fr=50 Hz, fc =750 Hz 52 Hình 3.14: Phổ sóng hài điện áp PWM hình sin 59 Hình 3.15: Phổ sóng hài điện áp PWM hài bậc 60 Hình 3.16: Phổ sóng hài điện áp PWM 600 61 Hình 4.1: Đặc tính ĐCKĐB khảo sát với nguồn cấp sin chuẩn 73 Hình 4.2: Đặc tính dịng điện stato roto fr=50Hz 75 Hình 4.3: Đặc tính tổn thất công suất dây quấn động fr=50Hz 76 Hình 4.4: Đặc tính Momen tốc độ fr=50Hz 77 Hình 4.5: Các đặc tính động với kỹ thuật HPWM 78 Hình 4.6: Các đặc tính động với kỹ thuật PWM 600 79 Hình 4.7 Ảnh hưởng tần số sóng mang fc lên động khơng đồng 80 Hình 4.8: Đặc tính tổn thất dây quấn động tần số thay đổi với kỹ thuật PWM 81 hình sin, tải Mc = Mđm vii Trang Hình 4.9: Đặc tính momen tốc độ tần số thay đổi với kỹ thuật PWM hình sin, tải 82 Mc = Mđm Hình 4.10: Đặc tính tổn thất tần số thay đổi với kỹ thuật PWM hình sin, tải 84 Mc ~ ω Hình 4.11: Đặc tính tổn thất dây quấn động tần số thay đổi với kỹ thuật PWM 85 hình sin, tải M c ~ ω2 Hình 4.12: Đặc tính tổn thất dây quấn động với kỹ thuật điều chế PWM 87 Hình 4.13: Quan hệ hiệu suất động với tần số ( hay tốc độ) ứngvới kỹ thuật điều 88 chế PWM Hình 4.14: Quan hệ momen M1 tốc độ góc ( hay hệ số trượt s1 ) ứng với thành phần 90 sóng Hình 4.15: Quan hệ momen M13 tốc độ góc ( hay hệ số trượt s13 ) ứng với thành 90 phần hài bậc 13 Hình 4.16: Quan hệ momen M17 tốc độ góc ( hay hệ số trượt s13 ) ứng với thành 91 phần hài bậc 17 Hình 4.17: quan hệ momen ứng với hài bậc 13 với tốc độ góc ωm hệ số trượt quy đổi 92 (1) s13 Hình 4.18: quan hệ momen ứng với hài bậc 17 với tốc độ góc ω hệ số trượt quy đổi 92 (1) s17 Hình 4.19: đồ thị biểu diễn pha thành phần momen 93 Hình 4.20: quan hệ momen tổng ĐCKĐB Te ứng với sóng bản, bậc 13, bậc 17 với 93 tốc độ góc ω hệ số trượt s1 viii MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày hệ truyền động biến tần - động không đồng roto lồng sóc sử dụng phổ biến có vai trị quan trọng hầu hết ngành sản xuất dần thay hệ truyền động chiều ĐCKĐB có cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy chắn, sử dụng bảo quản thuận tiện, giá thành hợp lý, phải bảo dưỡng ĐCKĐB roto lồng sóc chiếm ưu đặc biệt thị trường nước giới Hơn với phát triển vượt bậc công nghệ chế tạo van bán dẫn kỹ thuật điện tử công suất năm gần cho phép giải toán phức tạp điều khiển ĐCKĐB ba pha nên vấn đề điều chỉnh tốc độ cho loại động khơng cịn vấn đề khó khăn trước Điều dẫn đến xu hướng thay triệt để hệ truyền động điện kinh điển sử dụng động điện chiều hệ truyền động biến tần - ĐCKĐB roto lồng sóc Ở nước ta năm gần việc sử dụng ĐCKĐB ngày phát triển mạnh, có mặt tất lĩnh vực kinh tế xã hội Các nhà máy sản xuất chế tạo ĐCKĐB hàng năm đưa thị trường hàng trăm ngàn sản phẩm ( riêng VIHEM 50.000 sản phẩm/ năm) chưa kể xuất ngày nhiều loại động từ nước Theo nghiên cứu Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), lượng tiêu thụ động điện chiếm 45% điện tiêu thụ toàn cầu, đứng đầu mức tiêu thụ điện loại phụ tải (với thiết bị chiếu sáng, tỷ lệ 19%, xếp thứ hai) Một nghiên cứu khác Tập đoàn ABB cho thấy chi phí điện tiêu thụ hàng năm động ngành công nghiệp tương đương bảy lần giá trị đầu tư ban đầu Từ thực tiễn ta thấy chi phí cho lượng để vận hành lớn, phần đáng kể lượng bị tiêu hao động dạng nhiệt Trong năm gần đây, trước áp lực phải tiết kiệm lượng, số nước tiêu chuẩn hiệu suất động có hiệu suất cao, điển Mỹ có tiêu chuẩn EPAct efficiency standards, tiêu chuẩn châu âu Eff1 [30] Ở khu vực nào, thiết kế, vận hành động không đồng cần phải tuân thủ theo quy định ban hành Tại Việt Nam, theo TCVN 1987:1994 thiết kế vận hành ĐCKĐB cần đảm bảo yêu cầu hiệu suất, hệ số công suất cosϕ, bội số momen khởi động, bội số dòng điện khởi động động Và tiêu chuẩn TCVN 7540-1:2005 ĐCKĐB ba pha roto lồng sóc hiệu suất cao Hiệu suất theo tiêu chuẩn TCVN 1987:1994, TCVN 75540-1:2005 tiêu chuẩn Châu Âu Eff1 vài dãy động thể bảng đây: Công suất (kW) 1.1 2.2 4.0 5.5 7.5 11 15 18.5 30 37 55 75 90 TCVN 1987:1994 η (%) 2p=2 2p=4 2p=6 77.5 75.0 74.0 83.0 80.0 81.0 86.5 84.0 82.0 87.5 85.5 85.0 87.5 87.5 85.5 88.0 87.5 86.0 88.0 89.0 87.5 88.5 90.0 88.0 90.5 91.0 90.5 90.0 91.0 91.0 91.0 92.5 92.0 91.0 93.0 92.0 92.0 93.0 92.5 TCVN 7540-1:2005 η (%) 2p=2 2p=4 2p=6 80.6 82.2 78.3 84.0 84.9 81.9 86.5 87.0 84.7 87.5 87.9 86.1 88.3 88.9 87.3 89.5 89.9 88.7 90.2 90.8 89.6 90.8 91.2 90.3 91.7 92.3 91.6 92.5 92.8 92.2 93.0 93.5 93.1 93.6 94.0 93.7 94.2 94.4 94.1 Châu Âu Eff1 η (%) 2p=2 2p=4 82.8 83.8 85.6 86.4 87.6 88.3 88.6 89.2 89.5 90.1 90.5 90.1 91.3 91.8 91.8 92.2 92.9 93.2 93.3 93.6 94.0 94.2 94.6 94.7 95.0 95.0 Cho đến nhà chế tạo động Việt Nam áp dụng phổ biến tiêu chuẩn TCVN 1987:1994 Một vài dãy công suất theo tiêu chuẩn trình bày bảng : Bảng TCVN 1987:1994 ĐCKĐB ba pha roto lồng sóc 2p = kiểu IP44 Kích thước chiều cao tâm trục 3K80A4 3K80B4 3K90L4 3K100S4 3K100L4 Công suất danh định kW 0.55 0.75 1.10 1.50 2.20 Hệ số trượt % Hiệu suất % Hệ số công suất Mmax/Mđm không nhỏ Mk/Mđm không nhỏ Ik/Iđm không lớn 8.7 8.7 6.7 6.7 5.4 70.5 72.0 75.5 77.0 80.0 0.70 0.73 0.81 0.83 0.83 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 4.5 4.5 5.0 5.0 6.0 if Sdbb(j)-Sm(j)