Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần tư – động cơ đồng bộ

Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần tư – động cơ đồng bộ

NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

Mã số:23.04.3898

Học viên: NGUYỄN THỊ THU NGA

Người HD Khoa học : TS TRẦN XUÂN MINH

THÁI NGUYÊN - 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Thị Thu Nga

Ngày tháng năm sinh: Ngày 11 tháng 11năm 1981

Nơi sinh: Lương Sơn - Thái Nguyên

Nơi công tác: Trường Cao đẳng Cơ Khí Luyện Kim

Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Thái Nguyên

Chuyên ngành: Tự động hóa

Khóa học: K11- TĐH

TƯ – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Xuân Minh

Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Trần Xuân Minh

HỌC VIÊN

Nguyễn Thị Thu Nga

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo TS.Trần Xuân Minh và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt kê Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dưới bất kỳ hình thức nào

Tác giả luận văn

1.1.1 Giới thiệu chung ……… … 3

1.1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ … 4

1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ …… … … 5

1.1.4 Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều …… ……… 6

1.2 Sơ lược về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất … ……… 8

1.2.1 Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ……… ………… 8

1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp ……… ……… 10

2.3 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM ……… ……….……… 26

2.3.1 Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM ……… ……… ……… 27

2.3.2 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ 3 pha … …… 28

2.3.3 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ cố định  -  29

2.3.4 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trên hệ tọa độ quay d – q … … 30

2.3.5 Tính toán công suất chỉnh lưu PWM ……… ……… 31

2.4 Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lưu PWM …… … …… 32

2.4.1 Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều ……… ……… 32

2.4.2 Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm ……… ……… 32

2.5 Ước lượng các đại lượng vector cơ bản ……… … ……… 34

2.5.1 Ước lượng vector điện áp đầu vào ……… ………… ………… 35

2.5.2 Ước lượng vector từ thông ảo ……… ……… ……… 35

2.6 Phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM ………… ……… 39

2.7 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM định hướng theo vector điện áp 40 2.7.1 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM định hướng theo vector điện áp dựa vào dòng điện (VOC) ……… ……… 40

2.7.2 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC ………… … 42

2.8 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp trực tiếp công suất DPC ……… ……… ……… 43

2.8.1 Ước lượng công suất theo vector điện áp ……… ……… 45

2.8.2 Ước lượng công suất theo vector từ thông ảo … ……… 46

2.8.3 Đặc điểm cơ bản của điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh lưu PWM ……… ……… … 47

2.8.4 Bộ điều khiển công suất ……… ……… 48

2.8.5 Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt 50

2.8.6 Tổ hợp vector điện áp ……… ……… 51

Chương 3 - XÂY DỰNG CẤU TRÖC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU VÀ CẤU TRÖC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4Q - ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 53 3.1 Giới thiệu chung động cơ đồng bộ 53

3.1.1 Khái quát chung 53

3.1.2 Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu 54

3.2 Mô hình toán học của động cơ đồng bộ 55

3.2.1 Mô hình toán học của động cơ đồng bộ kích từ dây quấn 55

3.2.2 Mô tả toán học động cơ đồng bộ kích từ NCVC 59

3.3 Cấu trúc điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ 60

3.3.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển nghịch lưu 60

3.3.1.1 Giới thiệu các loại cấu trúc 60

3.3.1.2 Lựa chọn phương pháp điều khiển nghịch lưu 63

3.3.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ truyền động 64

3.3.2.1 Sơ đồ khối hệ điều khiển 64

3.3.2.2 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu 65

3.3.3 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu 67

Chương 4 - MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 70 4.1 Mô phỏng đặc tính làm việc của chỉnh lưu PWM 70

4.1.1 Xây dựng chương trình mô phỏng chỉnh lưu PWM 70

4.1.2 Các kết quả mô phỏng chỉnh lưu PWM 72

4.2 Mô phỏng hệ truyền động biến tần 4Q - Động cơ đồng bộ 73

4.2.1 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ truyền động trong phần mềm Matlab 73

4.2.2 Kết quả mô phỏng 78

4.3 Kết luận 82

Kết luận và kiến nghị 83

Tài liệu tham khảo 84

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

L Thành phần trục  của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ -L Thành phần trục  của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ -Ld Thành phần trục d của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d-q

Lq Thành phần trục q của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d-q

DPC Điều khiển trực tiếp công suất (viết tắt của Direct Power Control)

iLa,b,c Dòng ba pha A, B, C của lưới điện xoay chiều phần chỉnh lưu PWM iL Thành phần trục  của vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ -

iL Thành phần trục  của vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ -

iLd Thành phần trục d của vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d-q iLq Thành phần trục d của vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d-q

np Số đôi cực từ của động cơ

p(t), p Công suất tác dụng tức thời

q(t), q Công suất phản kháng tức thời

Sa,Sb,Sc Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi

uL Thành phần trục  của vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ  - 

uL Thành phần trục  của vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ  - 

uLd Thành phần trục d của vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q uLq Thành phần trục q của vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q

us Thành phần trục  của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ  - 

us Thành phần trục  của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ  - 

toạ độ d - q

toạ độ d - q

Va, b, c Điện nguồn ba pha cấp cho động cơ

VFOC Điều khiển định hướng từ thông ảo (viết tắt của Virtual Flux Oriented Control)

VOC Điều khiển tựa theo điện áp lưới (viết tắt của Voltage Oriented Control) W, Wđt Năng lượng, năng lượng điện từ

Danh mục các bảng

Bảng B.2.2: Sự tăng giảm p, q theo U……….……… …… 51

Danh mục các hình vẽ và Đồ thị Hình 1.1 Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) …… 8

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp ……… … 8

Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều hình sin….……… ……… ……… 9

Hình 1.4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của các khâu trong biến tần trực tiếp……… 10

Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp……… 11

Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều………… 12

Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector……… ………… 15

Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao ( là chỉ số sóng hài) 17

Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều … 18

Hình 1.10: Sử dụng thêm bộ nghịch lưu mắc song song ngược với bộ chỉnh

lưu để trả năng lượng về lưới điện xoay chiều……… …… 18

Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM…… … 23

Hình 2.2a Sơ đồ thay thế một pha bộ chỉnh lưu tích cực PWM…… …… 24

Hình 2.2 b Đồ thị vector tổng quát của bộ chỉnh lưu………… ……… 24

Hình 2.2 c Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng 1 24

Hình 2.2 d Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng - 1 (nghịch lưu)……… ……… 24

Hình 2.3a: Đồ thị 6 vector điện áp cơ bản khi điều khiển sự chuyển mạch các khoá bán dẫn Sa, Sb, Sc ……… 25

Hình 2.3b: Các trạng thái chuyển mạch của chỉnh lưu PWM … … 26

Hình 2.4: Đồ thị vector điện áp, dòng điện chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ  -và d-q ……… ……… 27

Hình 2.5: Cấu trúc mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ ba pha 28

Hình 2.6: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ -……… … 30

Hình 2.7: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ d-q……… … 31

Hình 2.8: Đồ thị vector điện áp chỉnh lưu PWM ……… …… 32

Hình 2.9a: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM………… … 33

Hình 2.9b: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM……… 34

Hình 2.10: Mô hình động cơ ảo và đồ thị véc tơ từ thông ảo với chỉnh lưu PWM……… … ……… 36

Hình 2.11: Quan hệ giữa điện áp và từ thông ảo với dòng công suất của chỉnh lưu PWM ……… ……… 37

Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc nhận dạng véc tơ từ thông ảo……… ……… 38

Hình 2.13: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM……… … 39

Hình 2.14: Hệ truyền động động cơ xoay chiều - biến tần dùng chỉnh lưu PWM với các phương pháp điều khiển ……… …… 40

Hình 2.15: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC ………… …… 41

Hình 2.16: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo

VOC…… ……… 42

Hình 2.17: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC 42

Hình 2.18: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo DPC……… ……… 44

Hình 2.19: Khâu ước lượng công suất và điện áp ……… …… 45

Hình 2.20: Khâu ước lượng p, q theo vector L……… ………… 46

Hình 2.21: Sự biến thiên giá trị công suất tức thời ……… ……… 48

Hình 2.22: Bộ điều khiển công suất ……… ……… 49

Hình 2.23: Phân vùng vector cho phương pháp điều khiển DPC…… …… 50

Hình 2.24: Biến đổi vector điện áp……… ……… 52

Hình 3.1: Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu loại SPM 54

Hình 3.2: Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu loại IPM 55

Hình 3.3: Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vector ……… 61

Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc biến đổi toạ độ động cơ đồng bộ 62

Hình 3.5: Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - ĐB 64

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý phần lực hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM - động cơ đồng bộ ba pha 65

Hình 3.7: Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC 66

Hình 3.8: Cấu trúc nghịch lưu điều khiển vector định hướng từ thông rotor 69

Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC 71

Hình 4.2: Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp VOC(khối “Subsytrem”) của mô hình hình 4.1 71

Hình 4.3: Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình hình 4.1 72

Hình 4.4: Điện áp một chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC 72

Hình 4.5: Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo

Hình 4.8: Cấu trúc điều khiển vector trong vùng tần số f fdm 74

Hình 4.9: Sơ đồ mô phỏng hệ biến tần 4Q - Động cơ đồng bộ ba pha kích từ vĩnh cửu (PMSM) điều khiển theo VOC - DTC 75

Hình 4.10: Triển khai chi tiết khối PLECS Circuit 75

Hình 4.11: Triển khai chi tiết INVERTER 76

Hình 4.12: Triển khai chi tiết khối Speed controller trong INVERTER 76

Hình 4.13: Triển khai chi tiết khối Current controller trong INVERTER 76

Hình 4.14: Triển khai chi tiết khối SubSystem 77

Hình 4.15: Triển khai chi tiết khối Voltage controller trong SubSystem 77

Hình 4.16: Triển khai chi tiết khối Current controller trong SubSystem 77

Hình 4.17 Triển khai chi tiết khối PWM trong SubSystem 78

Hình 4.18: Tốc độ động cơ khi khởi động có tải, điều chỉnh giảm tốc với tải phản kháng bằng hằng số 78

Hình 4.19: Mô men động cơ khi khởi động, làm việc ổn định và điều chỉnh giảm tốc với tải phản kháng (Mc = 5Nm = const) 79

Hình 4 20: Dạng điện áp dây (uAB) trên động cơ khi giá trị đặt điện áp ra chỉnh lưu PWM là 650V 79

Hình 4.21: Dòng điện ba pha của động cơ giai đoạn trước và sau khi kết thúc quá trình khởi động 80

Hình 4.22: Tốc độ động cơ khi khởi động và làm việc ổn định với tải thế năng (Mc=-5Nm, đặt=312rad/s), giả thiết chiều quay theo chiều tác động của mô men tải (góc phần tư thứ tư) 81

Hình 4.23: Điện áp và dòng điện đầu vào chỉnh lưu PWM trong giai đoạn khởi động và khi vào làm ổn định việc với tải thế năng 81 Hình 4.24: Mô men động cơ khi khởi động và làm việc ổn định với tải thế năng (Mc=-5Nm, đặt=312rad/s) 82

MỞ ĐẦU

Trong những năm cuối của thế kỷ XX, sự phát triển của điện tử công suất đã dẫn tới sự phát triển mạnh mẽ của các hệ truyền động điện xoay chiều và nó dần thay thế một phần lớn hệ thống truyền động điện một chiều Vì hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp cho mạch stator có nhiều ưu điểm so với hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều

Tuy nhiên, các bộ biến tần gián tiếp thông dụng trong các hệ truyền động điện xoay chiều thường sử dụng bộ chỉnh lưu điốt và do vậy không có khả năng trả năng lượng về lưới Vấn đề hãm trong các hệ truyền động như vậy được thực hiện bởi việc sử dụng điện trở tiêu tán năng lượng Vì vậy, trong các hệ thống truyền động điện mà động cơ thường làm việc ở chế độ hãm thì việc tiêu tán năng lượng trên điện trở sẽ gây ra lãng phí rất lớn Để tiết kiệm năng lượng, tăng chất lượng điều chỉnh cần phải thiết kế bộ biến tần đảm bảo cho phép động cơ làm việc được ở các trạng thái hãm khác nhau mà đặc biệt là hãm tái sinh Biến tần như vậy được gọi là biến tần 4 góc phần tư (biến tần 4Q)

Được sự hướng dẫn của thầy giáo TS.Trần Xuân Minh - Trưởng Khoa Điện Trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên, tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài luận

văn tốt nghiệp là “Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần tư - Động cơ

đồng bộ”

Kết cấu của luận văn gồm:

Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều Chương 2: Nghiên cứu về chỉnh lưu PWM

Chương 3: Xây dựng cấu trúc điều khiển nghịch lưu và cấu trúc hệ truyền động

sâu sắc nhất đến thầy giáo TS.Trần Xuân Minh, người đã luôn quan tâm động viên,

khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Các vấn đề được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng 8 năm 2010 Tác giả

Nguyễn Thị Thu Nga

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

1.1 CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

1.1.1 Giới thiệu chung

Trong thực tế, để truyền động cho những cơ cấu sản xuất người ta sử dụng các động cơ làm cơ cấu chấp hành Trước đây, các hệ thống truyền động điện có yêu cầu cao về chất lượng điều chỉnh tốc độ, thường dùng động cơ điện một chiều Tuy nhiên loại động cơ này có nhiều nhược điểm so với động cơ điện xoay chiều, nên phương án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhưng còn hạn chế Đến thập kỷ 70 của thế kỷ XX, khi thế giới bị cuốn hút vào nguy cơ khan hiếm dầu mỏ, các nước công nghiệp tiên tiến mới tập trung vào việc nghiên cứu con đường tiết kiệm nguồn năng lượng Qua hơn 10 năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ 80 hướng nghiên cứu ấy đã đạt được thành tựu lớn, và đã được coi là bước đột phá thần kỳ trong truyền động điện xoay chiều, và từ đó tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ngày một tăng lên Trong các ngành công nghiệp đã có trào lưu thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều Hiện nay, với khả năng thiết kế các bộ điều khiển hiện đại, nhờ cải tiến, ứng dụng không ngừng các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn, động cơ dòng xoay chiều đã trở thành một đối tượng điều khiển có ưu thế và vì vậy, các hệ thống truyền động điện đã sử dụng động cơ xoay chiều như một đối tượng thân thiện có nhiều ưu điểm vượt trội

Động cơ điện xoay chiều có thể phân làm hai nhóm: động cơ xoay chiều không đồng bộ và động cơ xoay chiều đồng bộ Trong động cơ xoay chiều không đồng bộ có động cơ rotor lòng xóc và động cơ rotor dây quấn Trong động cơ xoay chiều đồng bộ có động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (thường là loại cực ẩn) và động cơ kích từ bằng nam châm điện (cực lồi) Mỗi loại động cơ đều có những ưu điểm và nhược điểm nhất định và các phương pháp điều chỉnh tốc độ cũng không hoàn toàn giống nhau

1.1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Để điều chỉnh tốc độ (điều tốc) động cơ không đồng bộ có rất nhiều phương pháp, chẳng hạn như : (1) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp giảm điện áp đặt vào cuộn dây stator động cơ; (2) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp dùng bộ ly hợp trượt điện từ; (3) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp dùng điện trở phụ nối tiếp với cuộn dây rotor đối với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn; (4) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây quấn; (5) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực; (6) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi tần số nhờ bộ biến đổi tần số (phương pháp biến tần); v.v Dựa vào nguyên lý cơ bản của động cơ điện không đồng bộ, công suất điện từ Pm từ stato truyền cho rôto được chia thành hai bộ phận: bộ phận thứ nhất P2=(1-s)Pm là công suất hữu ích dẫn động phụ tải, còn bộ phận thứ hai là công suất trượt Ps=sPm tỷ lệ thuận với hệ số trượt Từ góc độ chuyển đổi năng lượng mà xét, công suất trượt là tăng lên hay giảm xuống là phản ánh năng lượng bị tiêu hao đi hay là thu hồi lại được, và trở thành một chỉ tiêu đánh giá mức độ cao thấp về hiệu suất của hệ thống Xuất phát từ điểm này, có thể chia hệ thống điều tốc động cơ không đồng bộ thành ba loại lớn :

1) Hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trượt - toàn bộ công suất trượt chuyển thành nhiệt năng tiêu hao mất Ba phương pháp điều tốc (1), (2), (3) kể trên đều thuộc về loại này Hiệu suất hệ thống điều tốc của các loại này là thấp nhất và chấp nhận tổn thất công suất để đổi lấy việc giảm tốc độ quay (lúc mômen phụ tải không đổi), tốc độ càng xuống thấp thì hiệu suất càng giảm, nhưng cấu trúc của hệ thống này là đơn giản nhất, vì thế nó vẫn được dùng trong một số trường hợp, ví dụ trong các hệ thống cầu trục

2) Hệ thống điều tốc kiểu tái sinh - một bộ phận của công suất trượt bị tiêu hao đi, phần lớn còn lại nhờ có thiết bị chỉnh lưu - nghịch lưu được trả về lưới điện xoay chiều hoặc chuyển hoá thành dạng cơ năng để dùng vào việc có ích khác, khi tốc độ quay càng thấp công suất thu hồi cũng càng nhiều, phương pháp điều tốc thứ (4) đã kể trên là thuộc loại này Hiệu suất của hệ thống điều tốc loại này rõ ràng là cao hơn loại hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trượt nhưng phải thêm thiết bị chỉnh lưu - nghịch lưu nên lại phải tiêu hao một phần công suất

3) Hệ thống điều tốc công suất trượt không thay đổi - trong hệ thống này không tránh khỏi tiêu hao công suất trên dây dẫn rotor, nhưng sự tiêu hao công suất trượt hầu như không phụ thuộc vào tốc độ cao hay thấp, vì thế hiệu suất khá cao Phương pháp điều

tốc thay đổi số đôi cực và phương pháp điều tốc biến tần thuộc loại này Phương pháp điều tốc thay đổi số đôi cực là phương pháp điều chỉnh có cấp, phạm vi điều chỉnh hẹp, ít dùng Phương pháp điều tốc biến tần được ứng dụng rộng rãi nhất vì nó cho phép điều chỉnh trơn với phạm vi rộng, có khả năng xây dựng được các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có chất lượng cao, có thể thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều và do đó có tiền đồ phát triển hơn cả Hệ thống điều tốc biến tần động cơ không đồng bộ có phạm vi ứng dụng rộng cả về lĩnh vực và công suất, từ công suất cực nhỏ đến công suất rất lớn (hàng MW)

1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ

Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ ba pha ngày nay được sử dụng rộng rãi với dải công suất từ vài trăm W đến hàng MW( ví dụ : Động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu thường có công suất nhỏ, được sử dụng trong các hệ thống chính xác như điều khiển các chuyển động của Rôbốt Động cơ đồng bộ kích từ băng nam châm điện thường được sản xuất với công suất lớn, được sử dụng trong các hệ thống truyền động như : máy bơm, quạt gió, máy nén khí, truyền động cho lò trong sản xuất xi măng ) ở giải công suất cực lớn thì nó hoàn toàn chiếm ưu thế Bởi vì động cơ đồng bộ vừa có những ưu điểm của động cơ một chiều vừa có những ưu điểm của động cơ không đồng bộ

Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ xuất phát từ biểu thức:

s- tần số đồng bộ, cũng là tần số quay của rôto

Vì vậy phương pháp điều chỉnh tốc độ là thay đổi tần số nguồn.Đối với động cơ điện đồng bộ chủ yếu dùng kiểu điều tốc biến tần Thiết bị biến tần phối hợp điều tốc động cơ đồng bộ có thể là bộ biến tần nguồn áp, bộ biến tần nguồn dòng, bộ chuyển đổi chu kỳ sóng( bộ biến tần xoay chiều-xoay chiều) hoặc bộ biến tần SPWM

Hệ thống điều tốc biến tần của động cơ đồng bộ được phân thành hai nhóm lớn là biến tần điều khiển ngoài và biến tần tự điều khiển Thiết bị biến tần độc lập tạo cho động cơ đồng bộ một nguồn điện biến áp biến tần gọi là hệ thống điều tốc biến tần điều khiển ngoài, thiết bị dùng bộ đo kiểm vị trí roto trên trục động cơ để điều khiển phát xung gọi là hệ thống điều tốc biến tần tự điều khiển

1.1.4 Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều

Trong các hệ thống điều tốc biến tần cho động cơ xoay chiều cái cần để điều khiển là điện áp( hoặc dòng điện) và tần số, làm thế nào để thông qua điện áp ( hoặc dòng điện) và tần số để điều khiển được mô men ? Đó là vấn đề đầu tiên phải giải quyết khi săn đuổi, tìm tòi hệ thống điều tốc biến tần có chất lượng cao Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi công suất truyền động, vào hướng điều chỉnh mà có các loại biến tần và phương pháp khống chế biến tần khác nhau Trong thực tế các bộ biến tần được chia làm hai nhóm: các bộ biến tần là biến tần trực tiếp và các bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều Trước đây, các hệ truyền động dùng biến tần trực tiếp do chất lượng điện áp đầu ra thấp nên thường dùng ở lĩnh vực công suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất được đặt lên hàng đầu Ngày nay, với sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi điều khiển, phương pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lượng điện áp ra cao, giảm ảnh hưởng xấu đến lưới điện nên phạm vi ứng dụng đang ngày càng được mở rộng Được ứng dụng nhiều nhất hiện nay vẫn là các hệ điều tốc biến tần dùng bộ biến tần gián tiếp, các bộ biến tần loại này có thể khống chế theo các phương pháp khác nhau: điều chế độ rộng xung (PWM); điều khiển vector; điều khiển trực tiếp mô men

Biến tần điều chế độ rộng xung (PWM) với việc điều khiển điện áp và tần số theo qui luật U1/1 = const dễ thực hiện nhất, đường đặc tính cơ biến tần của nó về cơ bản là tịnh tiến lên xuống, độ cứng cũng khá tốt, có thể thoả mãn yêu cầu điều tốc thông thường, nhưng khi tốc độ giảm thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm tản cuộn dây ảnh hưởng đáng kể đến mô men cực đại của động cơ, buộc phải tiến hành bù sụt điện áp cho mạch stator Điều khiển Es/1 = const là mục tiêu thực hiện bù điện áp thông dụng với U1/1 = const, khi ở trạng thái ổn định có thể làm cho từ thông khe hở không khí không đổi (m = const), từ đó cải thiện được chất lượng điều tốc ở trạng thái ổn định Nhưng đường đặc tính của nó vẫn là phi tuyến, khả năng quá tải về mômen quay vẫn bị hạn chế

Hệ thống truyền động điều khiển Er/1 = const có thể nhận được đường đặc tính cơ tuyến tính giống như ở động cơ một chiều kích thích từ độc lập, nhờ đó có thể thực hiện điều tốc với chất lượng cao Dựa vào yêu cầu tổng từ thông của toàn mạch rotor rm= const để tiến hành điều khiển có thể nhận được Er/1 = const Trong trạng thái ổn định và trạng thái động đều có thể duy trì Er/1 = const là mục đích của điều tốc biến tần điều khiển vec tơ, đương nhiên hệ thống điều khiển của nó là khá phức tạp Dựa trên kết quả từ 2 hạng mục nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hướng từ trường động cơ không đồng bộ” do F Blaschke của hãng Siemens Cộng hoà Liên bang Đức đưa ra vào năm 1971, và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cơ cảm ứng” do P.C Custman và A.A Clark ở Mỹ công bố trong sáng chế phát minh của họ, qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành được hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay đã trở nên rất phổ biến

1.2 SƠ LƯỢC VỀ CÁC BỘ BIẾN TẦN DÙNG DỤNG CỤ BÁN DẪN CÔNG SUẤT

1.2.1 Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)

Cấu trúc của thiết bị biến tần trực tiếp như trên hình 1.1 Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần

số điều chỉnh được Do quá trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp, còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter)

Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều được tạo bởi mạch điện mắc song song ngược hai sơ đồ chỉnh lưu

tiristor (hình 1.2) Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận ngược lần lượt được điều khiển làm việc theo chu kỳ nhất định Trên phụ tải

~ 3 U1, f1

Biến tần xoay chiều -

xoay chiều

~ 3 U2, f2

Hình 1.1: Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)

Sơ đồ chỉnh lưu thuận

 3

Sơ đồ chỉnh lưu ngược

 3 f1, U1

sẽ nhận được điện áp ra xoay chiều ut Biên độ của nó phụ thuộc vào góc điều khiển , còn tần số của nó phụ thuộc vào tần số khống chế quá trình chuyển đổi sự làm việc của hai sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược Nếu góc điều khiển  không thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra có giá trị không đổi trong mỗi nửa chu kỳ điện áp đầu ra Muốn nhận được điện áp đầu ra có dạng gần hình sin hơn cần phải liên tục thay đổi góc điều khiển các van của mỗi sơ đồ chỉnh lưu trong thời gian làm việc của nó (mỗi nửa chu kỳ điện áp ra); chẳng hạn ở nửa chu kỳ làm việc của sơ đồ thuận, thực hiện thay đổi góc điều khiển  từ

/2 (ứng với điện áp trung bình bằng không) giảm dần tới 0 (ứng với điện áp trung bình là cực đại), sau đó lại tăng dần  từ 0 lên tới /2 thì điện áp trung bình đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu lại từ giá trị cực đại giảm về 0, tức là làm cho góc  thay đổi trong phạm vi /2  0 /2, để điện áp biến đổi theo quy luật gần hình sin, như trên hình 1.3 Trong đó, tại điểm A có  = 0, điện áp chỉnh lưu trung bình cực đại, sau đó tại các điểm B, C, D, E góc  tăng dần lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, cho đến điểm F với  = /2 điện áp trung bình là 0 Điện áp trung bình trong nửa chu kỳ là hình sin trong hình vẽ thể hiện bằng nét đứt Sự điều khiển sơ đồ ngược trong nửa chu kỳ âm điện áp ra cũng tương tự như thế

Trên đây đã phân tích đầu ra một pha biến tần xoay chiều - xoay chiều (trực tiếp), đối với phụ tải ba pha, hai pha khác cũng dùng mạch điện đảo chiều mắc song song ngược,

điện áp trung bình đầu ra có góc pha lệch nhau 1200 Như vậy, nếu mỗi một sơ đồ chỉnh lưu đều dùng loại sơ đồ cầu ba pha thì bộ biến tần ba pha sẽ cần tổng cộng tới 36 tiristor (mỗi nhánh cầu chỉ dùng một tiristor), nếu dùng loại sơ đồ tia ba pha, cũng phải dùng tới 18 tiristor Vì vậy thiết bị biến tần trực tiếp tuy về mặt cấu trúc chỉ dùng một khâu biến đổi, nhưng số lượng linh kiện lại tăng lên rất nhiều, kích thước tổng tăng lên rất lớn Do những thiết bị này đều tương tự như thiết bị của bộ biến đổi có đảo dòng thường dùng trong hệ thống điều tốc một chiều có đảo chiều nên quá trình chuyển mạch chiều dòng điện được

==/2 /2 =0 =/2

Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều hình sin

thực hiện giống như trong sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển (chuyển mạch tự nhiên), đối với các linh kiện không có các yêu cầu gì đặc biệt Ngoài ra, từ hình 1.3 có thể thấy, khi điện áp đổi chiều đồ thị hình sin của điện áp nguồn cũng có thể biến đổi theo rất nhanh chóng, vì vậy tần số đầu ra lớn nhất cũng không vượt quá 1/3  1/2 tần số lưới điện (tuỳ theo số pha chỉnh lưu), nếu không, đồ thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường của hệ thống điều tốc biến tần Do số lượng linh kiện tăng lên nhiều, tần số đầu ra giảm xuống, phạm vi thay đổi tần số đầu ra của bộ biến tần hẹp (vì cũng bị gới hạn cả tần số thấp nhất) nên hệ điều tốc này ít được dùng, chỉ trong một số lĩnh vực công suất lớn và cần tốc độ làm việc thấp, chẳng hạn như máy cán thép, máy nghiền bi, lò xi măng, những loại máy này khi dùng động cơ tốc độ thấp được cấp điện bởi biến tần trực tiếp có thể loại bỏ được hộp giảm tốc rất cồng kềnh và thường dùng tiristor mắc song song mới thoả mãn được yêu cầu công suất đầu ra Bộ biến tần trực tiếp tuy có một số nhược điểm là số lượng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi tần số không rộng, chất lượng điện áp ra thấp, nhưng có ưu điểm là hiệu suất cao hơn so với các bộ biến tần gián tiếp, điều này đặc biệt có ý nghĩa khi công suất hệ thống điều tốc cực lớn (các hệ thống dùng động cơ công suất đến 16.000 KW) Trên đồ thị dạng sóng (hình 1.4) ta thấy công suất tức thời của biến tần bao gồm có bốn giai đoạn Trong hai khoảng ta có tích điện áp và dòng điện của biến tần dương, biến tần lấy công suất từ lưới cung cấp cho tải Trong hai khoảng còn lại ta có tích giữa điện áp và dòng điện trong biến tần âm nên biến tần biến đổi cung cấp lại công suất cho lưới

1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp

Bộ biến tần trực tiếp có ưu điểm là có thể thiết kế với một công suất khá lớn ở đầu ra và hiệu suất cao, nhưng có một số nhược điểm sau:

+ Chỉ có tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp lưới

Sơ đồ chỉnh ngược

ở chế độ nghịch

lưu

u

Sơ đồ chỉnh thuận ở chế độ chỉnh lưu

Sơ đồ chỉnh thuận ở

chế độ nghịch lưu

Sơ đồ chỉnh ngược ở chế độ chỉnh lưu

i

Hình 1.4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của các khâu trong biến tần trực tiếp

t u, i

+ Khó điều khiển ở tần số cận không vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ khá lớn

+ Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao + Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin

Chính vì những đặc điểm trên mà một loại biến tần khác được đưa ra để nâng cao chất lượng hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều, đó là biến tần gián tiếp Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục những nhược điểm của bộ biến tần trực tiếp ở trên

Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều có thể có các cấu trúc khác nhau, cấu trúc chung được mô tả như hình 1.5 Về cơ bản có thể có ba khâu chính: Chỉnh lưu, lọc và nghịch lưu Phụ thuộc vào việc

điều chỉnh điện áp đầu ra mà có thể có ba dạng sau: Bộ biến tần dùng chỉnh lưu có điều khiển, bộ biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển nhưng thêm bộ biến đổi xung áp một chiều, bộ biến tần

dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu thực hiện điều chế độ rộng xung (PWM)

A Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển

Bộ biến tần này có cấu trúc như trên hình 1.6a, điện áp xoay chiều lưới điện được biến đổi thành điện áp một chiều có điều chỉnh nhờ chỉnh lưu điều khiển tiristor, khâu lọc có thể là bộ lọc điện dung hoặc điện cảm phụ thuộc vào dạng nghịch lưu yêu cầu, khối nghịch lưu có thể sử dụng các tiristor hoặc transistor Việc điều chỉnh giá trị điện áp ra U2được thực hiện bằng việc điều khiển góc điều khiển bộ chỉnh lưu, việc điều chỉnh tần số tiến hành bởi khâu nghịch lưu, tuy nhiên quá trình điều khiển được phối hợp trên cùng một mạch điện điều khiển Cấu trúc của bộ biến tần loại này đơn giản, dễ điều khiển nhưng do khâu biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều (đầu vào) sử dụng chỉnh lưu điều khiển tiristor nên khi điện áp ra thấp thì hệ số công suất giảm thấp; khâu biến đổi điện áp hoặc dòng điện một chiều thành xoay chiều (đầu ra) thường dùng nghịch áp 3 pha bằng tiristor nên sóng hài bậc cao trong điện áp xoay chiều đầu ra thường có biên độ khá lớn Đây là

nhược điểm chủ yếu của loại bộ biến tần này

=

C0Ud

B Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp

Bộ biến tần xoay chiều gián tiếp dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển kết hợp với bộ biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh điện áp một chiều ở đầu vào khối nghịch lưu được biểu diễn trên hình 1.6b

Việc biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều để cấp cho khối nghịch lưu sử dụng bộ chỉnh lưu điôt không điều khiển Khối nghịch lưu chỉ có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều với tần số điều chỉnh được mà không có khả năng điều chỉnh điện áp ra của nghịch lưu nên giữa khối chỉnh lưu và nghịch lưu bố trí thêm bộ biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh giá trị điện áp một chiều cấp cho nghịch lưu nhằm thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều đầu ra nghịch lưu U2 Mặc dù bộ biến tần này đã phải thêm một khâu (chưa kể phải thêm khâu lọc) nhưng hệ số công suất đầu vào khá cao, khắc phục được nhược điểm của bộ biến tần thứ nhất trên

Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều a) Biến tần dùng chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor

b) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp c) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế PWM

 3 f1, U1

Chỉnh lưu điều khiển

 3 f2, U2

a

 3 f1, U1

Chỉnh lưu không điều khiển

 3 f2, U2

Lọc 1

b

Lọc 2 Bộ biến

đổi xung điện áp

Nghịch lưu

 3 f1, U1

Chỉnh lưu không điều khiển

 3 f2, U2

PWM

c

hình 1.6a Khối nghịch lưu đầu ra không thay đổi nên vẫn tồn tại nhược điểm là các sóng hài bậc cao có biên độ khá lớn

C Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu PWM

Như trên đã trình bày, trong hệ thống điều tốc biến tần áp dụng phương pháp điều chỉnh tỷ số điện áp-tần số không đổi, khi sử dụng biến tần gián tiếp dùng tiristor thì việc điều chỉnh điện áp và tần số được thực hiện riêng ở hai khâu: điều chỉnh tần số ở khâu nghịch lưu, còn điều chỉnh điện áp thực hiện ở khâu chỉnh lưu, điều này đã kéo theo một loạt vấn đề Các vấn đề đó là:

(1) Mạch điện chính có 2 khâu công suất điều khiển được, nghĩa là khá phức tạp; (2) Do khâu một chiều trung gian có bộ lọc bằng tụ lọc hoặc điện kháng với quán tính lớn, làm cho tính thích nghi trạng thái động của hệ thống thường bị chậm trễ;

(3) Do bộ chỉnh lưu có điều khiển làm cho hệ số công suất của nguồn điện cung cấp giảm nhỏ khi công suất đầu ra giảm xuống theo sự thay đổi chế độ làm việc của hệ điều tốc, đồng thời làm tăng sóng hài bậc cao trong dòng điện nguồn;

(4) Đầu ra của bộ nghịch lưu là điện áp (dòng điện) có dạng khác xa hình sin, tạo ra nhiều sóng hài bậc cao trong dòng điện động cơ, dẫn tới mô men biến động khá lớn ảnh hưởng tới tính ổn định làm việc của động cơ, đặc biệt khi ở tốc độ thấp Vì vậy các thiết bị biến tần do các linh kiện điện tử công suất dạng tiristor không thể đáp ứng được những yêu cầu đối với những hệ thống điều tốc biến tần hiện đại Sự xuất hiện các linh kiện điện tử công suất điều khiển hoàn toàn (GTO, IGBT, ) cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử đã tạo ra được các điều kiện tốt để giải quyết vấn đề này

Năm 1964 A Schonung và một số đồng nghiệp người Đức đã đưa ra ý tưởng biến

tần điều chế độ rộng xung, họ ứng dụng kỹ thuật điều chế trong hệ thống thông tin vào việc điều chế điện áp ra của biến tần Bộ biến tần PWM ứng dụng kỹ thuật này về cơ bản đã giải quyết được vấn đề tồn tại trong bộ biến tần thông thường dùng tiristor, tạo điều kiện cho sự phát triển lĩnh vực mới là hệ thống điều tốc dòng điện xoay chiều cận đại Hình 1.6c giới thiệu cấu trúc bộ biến tần PWM, bộ biến tần này vẫn là bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều, chỉ khác là khâu chỉnh lưu chỉ cần là chỉnh lưu không điều khiển, điện áp ra của nó sau khi đi qua bộ lọc C (hoặc L-C) cho điện áp một chiều có giá trị không đổi dùng để cấp cho khâu nghịch lưu, linh kiện đóng mở công suất trong khâu nghịch lưu

là các phần tử điều khiển hoàn toàn và được điều khiển đóng cắt với tần số khá cao, tạo nên trên đầu ra một loạt xung hình chữ nhật với độ rộng khác nhau, còn phương pháp điều khiển quy luật phân bố thời gian và trình tự thao tác đóng - cắt (mở - khóa) chính là phương pháp điều chế độ rộng xung ở đây, thông qua việc thay đổi độ rộng của các xung hình chữ nhật có thể điều chế giá trị biên độ điện áp của sóng cơ bản đầu ra nghịch lưu, đáp ứng yêu cầu phối hợp điều khiển tần số và điện áp của hệ điều tốc biến tần

Đặc điểm chủ yếu của mạch điện trên hình 1.6c là :

(1) Mạch điện chính chỉ có một khâu công suất điều khiển được, đơn giản hoá cấu trúc, hệ số công suất của mạng điện không liên quan tới biên độ của điện áp đầu ra bộ nghịch lưu và tiến gần đến 1;

(2) Bộ nghịch lưu thực hiện đồng thời điều tần và điều áp, không liên quan đến tham số của linh kiện khâu trung gian một chiều, đã làm tăng độ tác động nhanh trạng thái động của hệ thống;

(3) Có thể nhận được đồ thị điện áp đầu ra tốt, có thể hạn chế hoặc loại bỏ được sóng hài bậc thấp, làm cho động cơ có thể việc với điện áp biến thiên gần như hình sin, biến động của mô men khá nhỏ, mở rộng rất lớn phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động

D Biến tần điều khiển vector

Với sự ra đời của các dụng bán dẫn công suất điều khiển hoàn toàn đã dẫn đến việc xuất hiện nghịch lưu điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) đã cải thiện một bước chất lượng điều tốc động cơ xoay chiều Các biến tần SPWM với phương pháp điều chỉnh U1/fs=hằng số (fs là tần số sóng hài cơ bản điện áp đặt vào mạch stator động cơ, đây cũng chính là tần số f2 trong các sơ đồ hình 1.6 và 1.7) có thể cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều với chất lượng dòng áp khá tốt, phạm điều chỉnh đã được mở rộng nhưng mô men cực đại bị giới hạn và chưa đáp ứng được yêu cầu cao về chất lượng tĩnh của phần lớn các hệ điều tốc Với các hệ điều tốc vòng kín dùng biến tần gián tiếp SPWM, như là hệ điều tốc điều khiển tần số trượt chẳng hạn, đã cải thiện đáng kể chất lượng tĩnh của hệ thống điều tốc động cơ xoay chiều, tạo được đặc tính gần với hệ thống điều tốc hai mạch vòng động cơ một chiều, tuy nhiên chất lượng động của hệ thì vẫn còn xa mới đạt được như hệ thống điều tốc hai mạch vòng động cơ một chiều

Dựa trên kết quả nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hướng từ trường động cơ không đồng bộ” do F Blaschke của hãng Siemens Cộng hoà Liên bang Đức đưa ra vào năm 1971, và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cơ cảm ứng” do P.C Custman và A A Clark ở Mỹ công bố trong sáng chế phát minh của họ, qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành được hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay được ứng dụng rất phổ biến

Cấu trúc phổ biến phần lực của biến tần sử dụng nghịch lưu điều khiển vector (biến tần vector) được mô tả như trên hình 1.7 Về cơ bản các thiết bị phần lực của biến tần này hoàn toàn tương tự như của biến tần điều chế độ rộng xung hình sin, chỉ khác là việc điều khiển khối nghịch lưu áp dụng phương pháp điều khiển vector Trong biến tần điều khiển vector, người ta áp dụng phép biến đổi tọa độ không gian các vector dòng, áp, từ thông động cơ từ hệ ba pha a-b-c sang hệ hai pha quay d-q, quay đồng bộ với từ trường stator của động cơ và thường chọn trục d trùng với vector từ thông rotor (điều khiển định hướng theo từ trường rotor) Thông qua phép biến đổi tọa độ không gian vector, các đại lượng dòng áp xoay chiều hình sin của động cơ trở thành đại lượng một chiều nên hoàn toàn có thể sử dụng các kết quả nghiên cứu tổng hợp hệ truyền động động cơ một chiều để thiết kế các bộ điều chỉnh Sau đó, các đại lượng một chiều đầu ra các bộ điều chỉnh lại được biến đổi thành đại lượng xoạy chiều ba pha qua phép biến đổi ngược tọa độ để khống chế thiết bị phát xung điều khiển các van nghịch lưu Hệ truyền động điện biến tần vector - động cơ xoay chiều được thực hiện ở dạng hệ vòng kín, với việc điều khiển định hướng theo từ trường rotor cho phép có thể duy trì được từ thông rotor không đổi (ở vùng tần số thấp hơn tần số cơ bản), thực hiện được quan hệ Er/fs= hằng số, nhờ đó mà đặc tính cơ của động cơ xoay chiều không đồng bộ trong hệ có dạng như đặc tính động cơ một chiều (với khả năng quá tải mô men rất lớn)

1.3 BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƯ

1.3.1 Các tồn tại của các bộ biến tần thông thường

Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector

 3 f1, U1

Chỉnh lưu điều khiển

 3 f2, U2

Lọc

Nghịch lưu điều khiển vector

Các bộ biến tần có cấu trúc được mô tả trên các hình 1.6 và 1.7, ngoài các ưu nhược điểm đã được giới thiệu trong mục trước còn tồn tại một số nhược điểm cơ bản sau: sóng hài bậc cao trong dòng điện lưới có biên độ khá lớn làm méo dạng đường cong điện áp lưới điện; hệ số công suất cos không cao gây nên các tổn thất phụ, đặc biệt là khi hệ thống công suất lớn; phần lớn không thực hiện được quá trình biến đổi năng lượng từ phía tải (động cơ) đưa trả lại lưới điện xoay chiều nên ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống truyền động và hiệu suất của hệ thống Để giảm nhỏ biên độ hoặc loại bỏ một số sóng hài bậc cao trong dòng điện lưới xoay chiều có thể sử dụng các sơ đồ chỉnh lưu liên hợp hoặc các khâu lọc như hình 1.8 Khâu lọc được thiết lập thành nhóm mạch LC cộng hưởng nối tiếp (lọc thụ động), nó sẽ dập tắt các dòng điện điều hoà bậc cao (hình 1.8 a); bộ lọc cũng có thể bố trí một bộ lọc dải rộng (hình 1.8 b)

Để tăng hệ số công suất, giảm tổn thất trong quá trình truyền tải điện năng, ngoài việc sử dụng bộ lọc để giảm biên độ sóng hài bậc cao (sóng hài bậc cao cũng là một yếu tố làm suy giảm hệ số công suất của bộ chỉnh lưu), có thể phải bố trí thêm các thiết bị bù công suất phản kháng

Về mặt nguyên tắc, công suất dư thừa trong động cơ (thường là động năng hệ truyền động) có thể được tiêu tán trên điện trở trong mạch một chiều nhờ khóa đóng cắt có điều

Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao ( là chỉ số sóng hài)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều

ĐK Cl

A B C

Khi sử dụng chỉnh lưu thyristor, có thể thực hiện việc biến đổi năng lượng để chuyển trả về lưới điện xoay chiều bằng cách mắc song song ngược với sơ đồ chỉnh lưu một bộ chỉnh lưu tương tự và điều khiển làm việc ở chế độ nghịch lưu (hình 1.10) Quá trình biến đổi năng lượng trong hệ thống truyền động điện khi động cơ làm việc ở chế độ hãm diễn ra như sau: năng lượng cơ học từ phía động cơ (ở dạng động năng tích lũy được của hệ thống truyền động hoặc thế năng của phụ tải) được biến đổi thàng năng lượng điện trong các

A

C B

ĐK Chỉnh lưu

Nghịch lưu để +

_

-

cuộn dây động cơ và qua bộ nghịch lưu của biến tần làm việc ở chế độ chỉnh lưu được chuyển thành năng lượng điện một chiều, sau khi qua bộ nghịch lưu thyristor được biến đổi thành năng lượng điện xoay chiều và được chuyển vào lưới điện xoay chiều

1.3.2 Biến tần bốn góc phần tư (biến tần 4Q)

Các phương pháp sử dụng bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao trong dòng điện nguồn, sử dụng thiết bị bù để tăng hệ số công suất, dùng điện trở hãm hoặc bộ nghịch để giải phóng năng lượng dư của động cơ còn tồn tại những vấn đề như: hệ thống cồng kềnh, đầu tư lớn, lọc sóng hài bậc cao khó, khi công suất hệ lớn thì điều chỉnh khó khăn Với chỉnh lưu diode chỉ cho phép năng lượng chảy theo một chiều và không điều khiển được Sự thay đổi của năng lượng sẽ xuất hiện một cách tự nhiên với sự thay đổi của điện áp nguồn cấp và tải Trong nhiều ứng dụng năng lượng cần được điều khiển Thậm chí đối với tải đòi hỏi điện áp không đổi hay dòng điện không đổi, điều khiển là việc cần thiết để bù nguồn cấp và sự thay đổi của tải Chỉnh lưu thyristor có thể điều khiển được dòng năng lượng bằng cách thay đổi góc điều khiển (góc mở) của thyristor Bộ biến đổi này còn có thêm khả năng biến đổi năng lượng từ một chiều sang xoay chiều hay làm việc ở chế độ nghịch lưu Khi góc điều khiển nằm giữa 0 và /2 bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu, còn khi góc điều khiển nằm giữa /2 và  thì bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu và năng lượng từ phía một chiều được chuyển về lưới xoay chiều Tuy nhiên, khi sử dụng thêm một nghịch chỉnh lưu bằng thyristor mắc song ngược với bộ chỉnh lưu, ngoài nhược điểm là thiết bị phần lực rất cồng kềnh, còn có thêm nhược điểm là dòng điện qua lưới chứa nhiều sóng điều hoà bậc cao làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện năng và làm giảm hệ số công suất Mặt khác nhiều hệ thống truyền động điện có yêu cầu cao về chất lượng động, ví dụ như độ tác động nhanh cao, khi đó yêu cầu động cơ phải thay đổi chế độ làm việc một cách linh hoạt Với một số hệ thống truyền động, tải mang tính chất thế năng, khi đó yêu cầu động cơ trong hệ thống phải làm việc được ở cả bốn góc phần tư, tức là ngoài chế độ động cơ ra thì phải làm việc được ở các chế độ hãm, đặc biệt là phải làm việc được ở chế độ hãm tái sinh Để động cơ có thể làm việc cả bốn góc phần tư thì thì yêu cầu bộ biến tần phải

có khả năng thực hiện trao đổi được năng lượng hai chiều Các bộ biến tần như vậy được gọi là biến tần bốn góc phần tư Nhiều chuyên gia và nhiều hãng khác nhau đã thực hiện khá nhiều nghiên cứu để tìm cách xây dựng các bộ biến tần bốn góc phần tư Khối nghịch lưu của biến tần, kể cả biến tần điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) hoặc biến tần điều khiển vector, … đều có thể thực hiện trao đổi công suất hai chiều: từ phía một chiều sang động cơ và ngược lại Như vậy, để bộ biến tần có thể thực hiện trao đổi công suất hai chiều thì vấn đề còn lại là khối chỉnh lưu cũng phải có khả năng trao đổi công suất hai chiều Như đã nêu ở trên, để thực hiện yêu cầu này có thể sử dụng hai sơ đồ chỉnh lưu điều khiển bằng thyristo cùng loại mặc song ngược, một sơ đồ được dùng để chỉnh lưu khi cần thực hiện biến đổi năng lượng điện xoay chiều từ phía lưới thành năng lượng điện một chiều cấp cho khối nghịch lưu, còn sơ đồ kia sẽ được điều khiển làm việc ở chế độ nghịch lưu khi cần biến đổi năng lượng điện từ phía một chiều (năng lượng từ động cơ được khối nghịch lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu chuyển sang) thành năng lượng điện xoay chiều trả lại lượng điện xoay chiều Tuy nhiên, cấu trúc biến tần này có phần chỉnh lưu rất cồng kềnh, dòng điện qua lưới điện có nhiều sóng hài bậc cao với biên độ khá lớn, hệ số công suất thấp khi điều chỉnh sâu Như vậy, nhiệm vụ cơ bản đặt ra là phải nghiên cứu tìm ra được một khối chỉnh lưu có các ưu điểm:

- Giảm được biên độ các sóng điều hoà bậc cao dòng điện lưới - Hệ số cos cao

- Có khả năng trao đổi công suất theo hai chiều

Bộ chỉnh tích cực PWM ra đời đã đáp ứng được các yêu trên Luận văn sẽ tiến hành nghiên cứu bộ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu tích cực PWM

Chương 2

NGUYÊN CỨU VỀ CHỈNH LƯU PWM

2.1 KHÁI QUÁT VỀ CHỈNH LƯU PWM

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều Quá trình nghiên cứu các hệ truyền động điện sử dụng động cơ điện một chiều đã đề cập đến yêu cầu tạo ra một điện áp một chiều ổn định và chất lượng cao Nó được tạo ra trong các mạch điện tử công suất bằng các bộ chỉnh lưu thường sử dụng điốt và thyristor Chỉnh lưu được phân loại theo nhiều cách: theo số pha nguồn cung cấp cho mạch van (ba pha, sáu pha); theo loại van bán dẫn (chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu điều khiển; chỉnh lưu bán điều khiển) và phân loại theo sơ đồ mắc van (hình tia, hình cầu) Bộ chỉnh lưu điốt và thyristor đã có lịch sử gần 50 năm và chúng được định nghĩa như một thiết bị điện tử công suất cổ điển được ứng dụng rộng rãi trong thực tế

Tuy nhiên, khi dùng chỉnh lưu truyền thống thì hệ số méo điện áp lưới là lớn (do đó gây ra sóng điều hoà lớn trong lưới điện xoay chiều; sóng điều hòa bậc cao gây ra tổn thất phụ, gây nhiễu cho lưới điện ảnh hưởng đến hoạt động của máy bíên áp, van điện ) Đồng thời hệ số méo làm ảnh hưởng đến hệ số công suất, làm cho hệ số công suất khi dùng các bộ chỉnh lưu này là thấp

Mặt khác, trong truyền động xoay chiều dùng biến tần, khi năng lượng động cơ dư thừa đòi hỏi phải có sự trao đổi năng lượng để tiết kiệm, tránh hao phí năng lượng Nhưng các bộ chỉnh lưu dùng đi ốt và thyristor chỉ dẫn năng lượng theo một chiều dẫn đến khó trao đổi năng lượng giữa động cơ và lưới Chính vì vậy đòi hỏi phải tìm ra một bộ chỉnh lưu mới thoả mãn các điều kiện:

+ Chứa ít sóng điều hoà bậc cao + Hệ số cos cao

+ Năng lượng chảy được theo hai chiều

Như vậy vấn đề đặt ra ở đây là phải tìm ra một loại chỉnh lưu tự nó thoả mãn những yêu cầu đã nêu trên Chỉnh lưu PWM ra đời thoả mãn các điều kiện đó Tóm lại: Các biến tần nguồn áp dùng chỉnh lưu điốt và thyristor có ba nhược điểm: không thực hiện trao đổi công suất giữa tải và lưới( tức là chỉ làm việc được ở hai góc phần tư), dòng điện đầu vào chứa nhiều sóng hài bậc cao ảnh hưởng xấu đến lưới điện xoay chiều và hệ số cos thấp khi sử dụng chỉnh lưu điều khiển

Biến tần dùng chỉnh lưu PWM đã khắc phục cả 3 vấn đề tồn tại trên Nó có thể làm việc ở cả bốn góc phần tư, có khả năng trao đổi công suất giữa tải và lưới theo hai chiều; dòng điện đầu vào có dạng rất gần hình sin và có thể điều chỉnh hệ số công suất cos =1

Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung một chiều gồm hai khâu cơ bản là chỉnh lưu và nghịch lưu Phần nghịch lưu đã có nhiều kết quả nghiên cứu được áp dụng rất tốt trong thực tế, trong nội dung luận văn không đi vào việc phân tích phần nghịch lưu mà thực hiện lựa chọn loại nghịch được áp dụng phổ biến trong truyền động động cơ xoay chiều hiện nay là nghịch lưu điều khiển vector, khối nghịch này cho phép trao đổi công suất hai chiều giữa động cơ và phần cung cấp một chiều Như vậy, khả năng làm việc ở cả bốn góc phần tư của động cơ trong hệ truyền động điện chỉ còn phụ thuộc vào đặc tính làm việc của chỉnh lưu, vì thế, nội dung cơ bản của chương này là nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý họat động và khả năng ứng dụng của chỉnh lưu PWM vào hệ truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều làm việc ở bốn góc phần tư

2.2 CẤU TẠO VÀ NGUYấN Lí LÀM VIỆC CỦA BIẾN TẦN NGUỒN ÁP BỐN GểC PHẦN TƯ DÙNG CHỈNH LƯU PWM

Sơ đồ nguyờn lý phần lực của biến tần dựng chỉnh lưu PWM được trỡnh bày trờn hỡnh 2.1

Sơ đồ trờn bao gồm hai khối chỉnh lưu (CLPWM) và nghịch lưu (NL) cú cấu tạo như nhau và cú chung mạch một chiều, vỡ vậy thường gọi là sơ đồ “dựa lưng vào nhau” (back to back) Ngoài ra, đầu vào biến tần (trong mạch nguồn cung cấp xoay chiều) cú lắp thờm cuộn cảm L

Để cú chế độ làm việc bốn gúc phần tư đảm bảo cụng suất trao đổi hai chiều giữa lưới và tải, dũng điện chỉnh lưu Id phải thay đổi được dấu Ta gọi Id cú dấu “+” khi nú cú chiều hướng về tải và ngược lại cú dấu “-” khi chiều của nú hướng về lưới Vỡ dấu điện ỏp một chiều là cố định nờn cụng suất cú thể thay đổi hai chiều từ lưới về tải Pd = Ud.Id > 0 và từ tải về lưới Pd = Ud.Id < 0

Để thực hiện được nguyờn lý làm việc trờn biến tần cần cú điều kiện:

- Bắt buộc phải cú điện cảm đầu vào để tạo kho từ trao đổi năng lượng với lưới - Giỏ trị điện ỏp một chiều Udc khụng đổi và phải lớn hơn giỏ trị điện ỏp chỉnh lưu tự nhiờn từ lưới ( thường ớt nhất là 20%)

- Điều khiển chỉnh lưu theo lụõt điều khiển PWM

Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần t- dùng chỉnh l-u PWM

uL

ĐB

b §å thÞ vector tæng qu¸t cña bé chØnh l-u

c §å thÞ vector bé chØnh l-u PWM víi hÖ sè c«ng suÊt b»ng 1

d §å thÞ vector bé chØnh l-u PWM víi hÖ sè c«ng suÊt b»ng -1 (nghÞch l-u)

UL IL

jLIL

RIL US

jLIL

RIL

UL IL

US

- Do khóa đóng cắt hai chiều Tranzitor và điôt ngược kết hợp với tụ điện C và các điện cảm nguồn L hình thành mạch vòng dao động cộng hưởng LC tạo nên điện áp một chiều Udc > Ud0

Để giải thích nguyên lý làm việc chỉnh lưu PWM ta dùng sơ đồ thay thế một pha và đồ thị vector như trên hình 2.2

Hình 2.2a là sơ đồ thay thế, trong đó, UL là điện áp một pha nguồn xoay chiều, Us là điện áp tải (mạch một chiều - nghịch lưu - động cơ xoay chiều ) được quy đổi về nguồn xoay chiều (điểm a) Giản đồ vector tổng quát biểu diễn trên hình 2.2b Nếu điều khiển chỉnh lưu PWM để vector dòng điện IL

trùng pha với vector điện áp lưới UL

thì cos =1 và công suất Pd > 0 Khi vector dòng điện IL

ngược pha với vector UL

thì cos =-1 và công suất Pd < 0 (ứng với chế độ hãm tái sinh) Như vậy,

H×nh 2.3a: §å thÞ 6 vector ®iÖn ¸p c¬ b¶n khi ®iÒu khiÓn sù chuyÓn m¹ch c¸c kho¸ b¸n dÉn Sa, Sb, Sc

U 1(100) U 4(011)

6(101) Re Im

sử dụng chỉnh lưu PWM trong bộ biến tần gián tiếp cho phép thực hiện trao đổi công suất tác dụng giữa tải và nguồn theo hai chiều và có thể điều chỉnh được giá trị hệ số công suất cos bằng 1

Để thực hiện dòng điện đầu vào có dạng hình sin người ta dùng phương pháp biến điệu vector không gian theo như nghịch lưu (SVPWM) Khi xem ba cặp IGBT (hình 2.1) như là ba khóa bán dẫn cho ba pha Sa Sb Sc Mỗi khóa có hai trạng thái đóng “1” và cắt “0” tạo ra sáu vector điện áp tác dụng là U1, U 2, U3, U4, U5, U6(hình 2.3a) và hai trạng thái không là U0 (000) và U7 (111) Các trạng thái đóng cắt trình bày trên hình 2.3b

2.3 MÔ TẢ TOÁN HỌC CHỈNH LƯU PWM

Đồ thị vector hình 2.2 của sơ đồ thay thế chỉnh lưu PWM có thể biểu diễn trên tọa độ cố định -  và tọa độ quay d - q bằng phương pháp biến đổi tuyến tính không gian vector [3], [11], [12] Giả thiết điện áp nguồn ba pha đối xứng với tần số công nghiệp không đổi 1 = 2f1, khi đó:

A

-+

C B

A

-+

C B

A

C B

A

C B

A

C B

A

C B

2.3.1 Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM

Điện áp dây tại đầu vào chỉnh lưu (a , b , c) Usab=(Sa- Sb)Udc

Usbc=(Sb- Sc)Udc (2.2) Usca=(Sc- Sa)Udc

u1=LiL us

uL

c

id iL

iq

