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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƢ – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ Ngành : TỰ ĐỘNG HOÁ Mã số:23.04.3898 Học viên: NGUYỄN THỊ THU NGA Ngƣời 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 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƢ – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NGUYỄN THỊ THU NGA THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG 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: Lƣơng Sơn - Thái Nguyên Nơi công tác: Trƣờng Cao đẳng Cơ Khí Luyện Kim Cơ sở đào tạo: Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Thái Nguyên Chuyên ngành: Tự động hóa Khóa học: K11- TĐH TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƢ – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Xuân Minh Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN TS. Trần Xuân Minh HỌC VIÊN Nguyễn Thị Thu Nga DUYỆT BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự hƣớng dẫn của Thầy giáo TS.Trần Xuân Minh và chỉ tham khảo các tài liệu đã đƣợc liệt kê. Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dƣới bất kỳ hình thức nào. Tác giả luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ …………………………………… .………………… .…. Lời cam đoan …………………………………… ……………… .……. Mục lục …………………………………………… .…………… .… Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt …………… .…………… .……… Danh mục các bảng …………………………………………… ……… Danh mục các hình vẽ, đồ thị ……………………………… … ……… Mở đầu………………………………………………… … .… .……… 1 Chƣơng 1- TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 1.1. Các hệ thống truyền động điện dùng động cơ xoay chiều …… .…… 3 1.1.1. Giới thiệu chung ………………………………………… .… 3 1.1.2. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ … 4 1.1.3. Các phƣơng 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 lƣợc 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 1.3. Biến tần bốn góc phần tƣ ………………… ………………………. 16 1.3.1. Các tồn tại của các bộ biến tần thông thƣờng …… .…………… 16 1.3.2. Biến tần bốn góc phần tƣ (biến tần 4Q) ………… .…………. 19 Chƣơng 2 - NGHIÊN CỨU CHỈNH LƢU PWM 21 2.1.Khái quát về chỉnh lƣu PWM 21 2.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến tần nguồn áp bốn góc phần tƣ dùng chỉnh lƣu PWM ……………………… …… .…………. 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 2.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM ………………… ……….………. 26 2.3.1. Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM ……… .……… ……… 27 2.3.2. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ 3 pha … …… 28 2.3.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ cố định  -  29 2.3.4. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trên hệ tọa độ quay d – q … .… 30 2.3.5. Tính toán công suất chỉnh lƣu PWM ………………… .………. 31 2.4. Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lƣu 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. Ƣớc lƣợng các đại lƣợng vector cơ bản ……………… .… ……… 34 2.5.1. Ƣớc lƣợng vector điện áp đầu vào ……… .………… …………. 35 2.5.2. Ƣớc lƣợng vector từ thông ảo ………………… ……… .……… 35 2.6. Phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM ………… ………. 39 2.7. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp 40 2.7.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp dựa vào dòng điện (VOC) …………… …………… 40 2.7.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC ………… … 42 2.8. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp trực tiếp công suất DPC ……………… .……… …………………………… 43 2.8.1. Ƣớc lƣợng công suất theo vector điện áp ……… .…………… 45 2.8.2. Ƣớc lƣợng 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 lƣu PWM ……………… ………………………… .…. 47 2.8.4. Bộ điều khiển công suất ……………………… ………………. 48 2.8.5. Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt . 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 2.8.6. Tổ hợp vector điện áp …………………… .…………………… 51 Chƣơng 3 - XÂY DỰNG CẤU TRÖC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU 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 phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu . 60 3.3.1.1. Giới thiệu các loại cấu trúc 60 3.3.1.2. Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu 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 lƣu . 65 3.3.3. Cấu trúc điều khiển nghịch lƣu . 67 Chƣơng 4 - MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 70 4.1. Mô phỏng đặc tính làm việc của chỉnh lƣu PWM 70 4.1.1. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng chỉnh lƣu PWM . 70 4.1.2. Các kết quả mô phỏng chỉnh lƣu 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 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  Góc pha của vector chuẩn  Góc pha điều khiển phần chỉnh lƣu PWM  Góc pha của vector áp nguồn phần chỉnh lƣu PWM  Góc pha giữa dòng điện và áp  Vận tốc góc A Từ thông stator pha A B Từ thông stator pha B C Từ thông stator pha C x* Giá trị đặt L Vector từ thông ảo 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 cos Hệ số công suất cơ bản C Tụ điện ĐB Động cơ đồng bộ ba pha Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 DPC Điều khiển trực tiếp công suất (viết tắt của Direct Power Control) f Tần số FOC Điều khiển tựa từ trƣờng (viết tắt của Field Oriented Control) i(t), i Giá trị dòng điện tức thời iA, iB, iC Dòng ba pha A, B, C cuộn dây stator ia, ib, ic Dòng ba pha a, b, c cuộn dây rotor idc Giá trị dòng điện một chiều LI Vector dòng điện lƣới iLa,b,c Dòng ba pha A, B, C của lƣới điện xoay chiều phần chỉnh lƣu PWM iL Thành phần trục  của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ - iL Thành phần trục  của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ - iLd Thành phần trục d của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ d-q iLq Thành phần trục d của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ d-q id Thành phần trục d của vector dòng stator động cơ iq Thành phần trục q của vector dòng stator động cơ I Giá trị hiệu dụng của dòng điện một pha động cơ j Đơn vị ảo J Mô men quán tính L Giá trị điện cảm M Mô men, mô men động cơ Mc Mô men cản tác động lên trục động cơ (mô men tải) Mđt Mô men điện từ động cơ Mđm Mô men định mức Mmax Mô men cực đại Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 np Số đôi cực từ của động cơ P Công suất tác dụng p(t), p Công suất tác dụng tức thời PWM Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse Width Modulation) q(t), q Công suất phản kháng tức thời Q Công suất phản kháng R Điện trở s Toán tử Laplace S Công suất biểu kiến Sa,Sb,Sc Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi t Giá trị thời gian tức thời T Chu kỳ LU Vector điện áp lƣới uL Thành phần trục  của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ  -  uL Thành phần trục  của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ  -  uLd Thành phần trục d của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ d - q uLq Thành phần trục q của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ d - q sU Vector điện áp vào bộ chỉnh lƣu PWM us Thành phần trục  của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục toạ độ  -  us Thành phần trục  của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục toạ độ  -  usd Thành phần trục d của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục toạ độ d - q usq Thành phần trục q của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục [...]... PWM theo VOC 42 Hỡnh 2.17: Cu trỳc cỏc mch vũng iu khin chnh lu PWM theo VFOC 42 Hỡnh 2.18: Cu trỳc iu khin chnh lu PWM theo DPC 44 Hỡnh 2.19: Khõu c lng cụng sut v in ỏp 45 Hỡnh 2.20: Khõu c lng p, q theo vector L 46 Hỡnh 2.21: S bin thiờn giỏ tr cụng sut tc thi 48 Hỡnh 2.22: B iu khin cụng sut 49 Hỡnh 2.23: Phõn vựng vector cho phng phỏp iu khin DPC 50 Hỡnh 2. 24: Bin i vector... rotor 69 Hỡnh 4. 1: S mụ phng chnh lu PWM ti in tr iu khin theo VOC 71 Hỡnh 4. 2: S mụ phng chi tit khi iu khin chnh lu PWM theo phng phỏp VOC(khi Subsytrem) ca mụ hỡnh hỡnh 4. 1 71 Hỡnh 4. 3: Chi tit khi PLECS circuit ca mụ hỡnh hỡnh 4. 1 72 Hỡnh 4. 4: in ỏp mt chiu sau chnh lu PWM iu khin theo VOC 72 S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 Hỡnh 4. 5: in ỏp v dũng... 75 Hỡnh 4. 11: Trin khai chi tit INVERTER 76 Hỡnh 4. 12: Trin khai chi tit khi Speed controller trong INVERTER 76 Hỡnh 4. 13: Trin khai chi tit khi Current controller trong INVERTER 76 Hỡnh 4. 14: Trin khai chi tit khi SubSystem 77 Hỡnh 4. 15: Trin khai chi tit khi Voltage controller trong SubSystem 77 Hỡnh 4. 16: Trin khai chi tit khi Current controller trong SubSystem 77 Hỡnh 4. 17 Trin... 72 Hỡnh 4. 6: in ỏp v dũng in pha A ca chnh lu PWM iu khin theo VOC trong thi gian 5 chu k ngun 73 Hỡnh 4. 7: Dũng mt chiu sau chnh lu ca PWM iu khin theo VOC trong thi gian 1/6 chu k ngun 73 Hỡnh 4. 8: Cu trỳc iu khin vector trong vựng tn s f fdm 74 Hỡnh 4. 9: S mụ phng h bin tn 4Q - ng c ng b ba pha kớch t vnh cu (PMSM) iu khin theo VOC - DTC 75 Hỡnh 4. 10: Trin khai... pha b chnh lu tớch cc PWM 24 Hỡnh 2.2 b th vector tng quỏt ca b chnh lu 24 Hỡnh 2.2 c th vector b chnh lu PWM vi h s cụng sut bng 1 24 Hỡnh 2.2 d th vector b chnh lu PWM vi h s cụng sut bng - 1 (nghch lu) . 24 Hỡnh 2.3a: th 6 vector in ỏp c bn khi iu khin s chuyn mch cỏc khoỏ bỏn dn Sa, Sb, Sc 25 Hỡnh 2.3b: Cỏc trng thỏi chuyn mch ca chnh lu PWM . 26 Hỡnh 2 .4: th vector in ỏp, dũng... Hỡnh 4. 18: Tc ng c khi khi ng cú ti, iu chnh gim tc vi ti phn khỏng bng hng s 78 Hỡnh 4. 19: Mụ men ng c khi khi ng, lm vic n nh v iu chnh gim tc vi ti phn khỏng (Mc = 5Nm = const) 79 Hỡnh 4 20: Dng in ỏp dõy (uAB) trờn ng c khi giỏ tr t in ỏp ra chnh lu PWM l 650V 79 Hỡnh 4. 21: Dũng in ba pha ca ng c giai on trc v sau khi kt thỳc quỏ trỡnh khi ng 80 Hỡnh 4. 22:... 34 Hỡnh 2.10: Mụ hỡnh ng c o v th vộc t t thụng o vi chnh lu PWM . . 36 Hỡnh 2.11: Quan h gia in ỏp v t thụng o vi dũng cụng sut ca chnh lu PWM . 37 Hỡnh 2.12: S cu trỳc nhn dng vộc t t thụng o 38 Hỡnh 2.13: Cỏc phng phỏp iu khin chnh lu PWM 39 Hỡnh 2. 14: H truyn ng ng c xoay chiu - bin tn dựng chnh lu PWM vi cỏc phng phỏp iu khin 40 Hỡnh 2.15: Cu trỳc iu khin chnh lu PWM theo VOC 41 ... DPC 50 Hỡnh 2. 24: Bin i vector in ỏp 52 Hỡnh 3.1: ng c ng b kớch t nam chõm vnh cu loi SPM 54 Hỡnh 3.2: ng c ng b kớch t nam chõm vnh cu loi IPM 55 Hỡnh 3.3: í tng cu trỳc h thng iu khin vector 61 Hỡnh 3 .4: S cu trỳc bin i to ng c ng b 62 Hỡnh 3.5: S khi h truyn ng in bin tn 4Q - B 64 Hỡnh 3.6: S nguyờn lý phn lc h truyn ng bin tn bn gúc phn t dựng chnh lu PWM - ng c ng b ba pha... tn 4 gúc phn t (bin tn 4Q) c s hng dn ca thy giỏo TS.Trn Xuõn Minh - Trng Khoa in Trng H K Thut Cụng Nghip - Thỏi Nguyờn, tụi ó tin hnh nghiờn cu ti lun vn tt nghip l Nghiờn cu h truyn ng in bin tn 4 gúc phn t - ng c ng b Kt cu ca lun vn gm: Chng 1: Tng quan v h truyn ng bin tn - ng c xoay chiu Chng 2: Nghiờn cu v chnh lu PWM Chng 3: Xõy dng cu trỳc iu khin nghch lu v cu trỳc h truyn ng bin tn 4Q... http://www.lrc-tnu.edu.vn 36 2.2 CU TO V NGUYấN Lí LM VIC CA BIN TN NGUN P BN GểC PHN T DNG CHNH LU PWM S nguyờn lý phn lc ca bin tn dựng chnh lu PWM c trỡnh by trờn hỡnh 2.1 uL ĐB Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần t- dùng chỉnh l-u PWM S trờn bao gm hai khi chnh lu (CLPWM) v nghch lu (NL) cú cu to nh nhau v cú chung mch mt chiu, vỡ vy thng gi l s da lng vo nhau (back to back) Ngoi ra, u vo bin tn . THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƢ – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ Ngành : TỰ ĐỘNG HOÁ Mã số:23. 04. 3898 Học viên: NGUYỄN. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƢ – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NGUYỄN THỊ THU NGA THÁI