Nghiên cứu ảnh hưởng của điện áp không sin đến hệ thống biến tần động cơ

Bộ giáo dục đào tạo TRường đại học bách khoa hà nội - Nguyễn Văn Ngoạn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP KHÔNG SIN ĐẾN HỆ THỐNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Trần Văn Thịnh Hà Nội -2012 Bộ giáo dục đào tạo TRường đại học bách khoa hà nội - Nguyễn Văn Ngoạn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP KHÔNG SIN ĐẾN HỆ THỐNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ Chuyên ngành: kỹ thuật điện LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Trần Văn Thịnh Hà Nội -2012 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, Ngày 27 tháng 09 năm 2012 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Ngoạn MỤC LỤC Lời cam đoan Danh mục hình vẽ, đồ thị Mở đầu CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG XOAY CHIỀU THAY ĐỔI TẦN SỐ 1.1 Khái quát chung 1.2 Các cấu trúc biến đổi tần số điển hình 1.2.1 Bộ biến tần trực tiếp 1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp 1.2.3 Bộ biến đổi ma trận 12 1.3 Điều khiển biến tần kỹ thuật điều chế độ rộng xung 13 1.3.1 Phương pháp điều biến dựa sóng mang CB- PWM 14 1.3.2 Phương pháp điều chế véc tơ không gian 15 1.4 Khái quát phương pháp điều khiển thay đổi tần số 20 1.4.1 Phương pháp điều khiển vô hướng 22 1.4.2 Phương pháp điều khiển vectơ 24 1.5 Kết luận 25 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ….26 2.1 Hệ thống biến tần điều biến độ rộng xung điều khiển ĐCKĐB (PWM)………………………………………………………………………… 26 2.1.1 Phương pháp điều biến độ rộng xung SINPWM……………… 26 2.1.2 Bộ nghịch lưu áp đa bậc…………………………………………… 28 2.1.2.1 Cấu hình dạng diode kẹp………………………………………29 2.1.2.2 Cấu hình dạng cascade……………………………………… 30 2.1.2.3 Cấu trúc dùng tụ thay đổi………………………………………32 2.1.3 Các trạng thái đóng ngắt nghịch lưu áp đa bậc……………….33 2.1.3.1 Tổng quát…………………………………………………… 33 2.1.3.2 Trạng thái đóng ngắt nghịch lưu áp ba bậc……………….34 2.1.3.3 Trạng thái đóng ngắt nghịch lưu áp năm bậc…………… 37 2.2 Mơ hình tốn học động không đồng ba pha………… 40 2.2.1 Đặc điểm mơ hình tốn học trạng thái động động khơng đồng bộ………………………………………………………………… 40 2.2.2 Phương trình điện áp động không đồng ba pha……….43 2.2.3 Phương trình từ thơng………………………………………… 44 2.2.4 Phương trình chuyển động………………………………………47 2.2.5 Phương trình mơ men……………………………………………48 2.2.6 Mơ hình tốn học động không đồng ba pha……………….49 2.3 Ảnh hưởng sóng hài lên hoạt động động cơ……………49 2.3.1 Điều hòa bậc cao thời gian .50 2.3.2 Từ trường bậc cao không gian…………………………………51 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP KHÔNG SIN ĐẾN HỆ THỐNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ…………………… 56 3.1 Đặt vấn đề…………………………………………………………56 3.2 Ảnh hưởng điện áp không sin……………………………….57 3.3 Ảnh hưởng tần số…………………………………………….62 3.4 Ảnh hưởng tải……………………………………………… 73 3.5 Ảnh hưởng tần số sóng mang……………………………… 82 Kết luận chung hướng phát triển luận văn Tài liệu tham khảo Phụ lục Danh mục hình vẽ STT Tên hình Trang 1.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát biến tần gián tiếp 1.2 Sơ đồ khối biến tần gián tiếp 1.3 Cấu trúc số chỉnh lưu sử dụng cho biến tần gián tiếp 1.4 Hãm tái sinh giảm tốc độ đột ngột 1.5 Sơ đồ nghịch lưu hai mức 11 1.6 Sơ đồ nghịch lưu ba mức 11 1.7 Cấu trúc tổng quát ký hiệu biến đổi ma trận 12 1.8 Một số cấu trúc khoá chuyển mạch hai chiều 13 1.9 Các kỹ thuật PWM 14 1.10 Sơ đồ nguyên lý động xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) nuôi biến tần nguồn áp 15 1.11 Sơ đồ nối ba cuộn dây vectơ không gian ứng với khả thứ 16 1.12 Tám véc tơ chuẩn ba cặp van bán dẫn biến tần tạo nên 17 1.13 Thực vectơ us hai véctơ điện áp chuẩn 18 1.14 Biểu đồ xung vectơ điện áp thuộc góc phần sáu thứ S1 19 1.15 Đặc tính điện áp - tần số 23 1.16 Điều khiển theo luật U/f vòng hở 24 2.1 Nguyên lý phương pháp điều rộng sin 26 2.2 Sơ đồ dạng điện áp pha phương pháp SINPWM 27 2.3 Nghịch lưu áp bậc dạng diode kẹp 29 2.4 Nghịch lưu áp dạng cascade 31 2.5 Dạng tụ thay đổi 32 2.6 Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha bậc NPC 34 2.7 Trạng thái chuyển mạch điện áp ngõ nghịch lưu bậc 35 2.8 Điện áp nghịch lưu ba bậc 36 2.9 Sơ đồ dạng điện áp pha nghịch lưu áp ba bậc 37 2.10 Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha bậc NPC 38 2.11 Giản đồ xung kích điện áp nghịch lưu áp năm bậc 39 2.12 Mơ hình vật lý động khơng đồng ba pha hai cực dây quấn đấu Y 3.1 Đặc tính thực nghiệm động khơng đồng 42 3.2 Kết mô với ảnh hưởng điện áp không sin 58 3.3 Kết mô với ảnh hưởng tần số 62 3.4 Kết mô với ảnh hưởng tải 73 3.5 Kết mô với ảnh hưởng tần số sóng mang 82 57 LỜI NĨI ĐẦU Trước đây, hệ thống truyền động có yêu cầu điều chỉnh tốc độ động chiều sử dụng rộng rãi động xoay chiều, việc điều khiển động xoay chiều gặp nhiều khó khăn, chủ yếu yếu tố: - Động xoay chiều phần tử phi tuyến mạnh, phần cảm phần ứng khơng tách biệt nên khó khăn điều khiển tốc độ mô men - Trong hệ thống truyền động, yêu cầu phải điều khiển sinh mô men vùng tốc độ thấp Ngày nay, động xoay chiều (nhất động không đồng rôto lồng sóc) dùng phổ biến cơng nghiệp (vì có nhiều ưu điểm độ tin cậy tốt, giá thấp, trọng lượng nhẹ, kết cấu chắn dễ bảo dưỡng), với dải công suất từ hàng trăm Watts đến hàng vài Megawatts, phận hệ truyền động Ở nước ta năm gần đây, việc sử dụng động không đồng ngày phát triển mạnh Nó vào tất lĩnh vực kinh tế xã hội Các nhà máy sản xuất động hàng năm cho thị trường khoảng 60-70 ngàn động không đồng bộ, chưa kể đến loại động nhập từ nước ngồi Do việc nâng cao chất lượng động hệ thống truyền động biến tần động qua trọng Trên quan điểm đó, luận văn đánh giá, so sánh chất lượng hệ thống biến tần khác Giữa yếu tố ảnh hưởng chủ yếu tới chất lượng hệ thống Bản luận văn bao gồm ba chương: Chương 1: Tổng quan hệ truyền động xoay chiều thay đổi tần số Chương 2: Xây dựng mơ hình hệ thống biến tần -động Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng điện áp không sin đến hệ thống biến tần – động -1- Xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn Thiết bị điện- điện tử trường ĐHBK Hà nội, đặc biệt thầy giáo TS Trần văn Thịnh tận tình giúp đỡ em hồn thành luận văn Do thời gian trình độ có hạn, nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót nhiều vấn đề cịn phải hồn thiện thêm Em mong nhận ý kiến dẫn thầy, ý kiến đóng góp đồng nghiệp -2- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG XOAY CHIỀU THAY ĐỔI TẦN SỐ 1.1 Khái qt chung Sự phát triển cơng nghiệp hóa tự động hoá quốc gia hệ thống truyền động điện (TĐĐ) xoay chiều tần số thay đổi (TSTĐ) tác động đến mạnh Ngày nay, nhờ phát triển công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn công suất lớn ( tranzistor MOSFET, IGBT…) vi mạch sử lý số (DSP), điều chỉnh số (DC) dẫn đến việc sử dụng rộng rãi hệ truyền động điện dùng động xoay chiều việc hình thành hệ thống điều khiển cho loại động Hoà chung vào công nghiệp phát triển giới, công nghiệp nước ta có bước phát triển đáng kể, hàng năm sản xuất hàng chục ngàn động cơ, chưa tính số nhập [6] Vì tiềm tiết kiệm lượng từ số động áp dụng kỹ thuật tiết kiệm lượng lớn Có thể nói hệ thống TĐĐ tiêu thụ tới 2/3 tổng lượng điện tiêu thụ cơng nghiệp, chúng đóng vài trị then chốt việc tiết kiệm lượng Việc tiết kiệm lượng mang lại lợi ích lớn khơng mặt kinh tế mà cịn có tác dụng bảo vệ môi trường Theo [3], hệ thống TĐĐ xoay chiều (với công suất 400 hp) sử dụng biến đổi tiratron cấp cho động đồng (ĐC ĐB) cực lồi, lắp đặt năm 1932 Hệ TĐĐ TSTĐ lắp đặt nhằm mục đích tiết kiệm lượng Cùng khoảng thời gian (1930), ngành đường sắt Đức dùng biến tần trực tiếp thuỷ ngân (mercury-arc cycloconverter) biến đổi 50Hz thành 16 Hz dùng cho truyền động động xoay chiều dùng -3- - Mc = 40Nm + Ikđmax: 435 A + Thời gian khởi động: 0.57s + Mô men đập mạch max: 669Nm + Số lần đập mạch momen 20 lần + Biên độ đập mạch mô men tốc độ định mức: 28Nm + Thời gian dòng điện đối xứng: 0.032s -78- - Mc = 50Nm + Ikđmax: 435 A + Thời gian khởi động: 0.65s + Mô men đập mạch max: 682Nm + Số lần đập mạch momen 23 lần + Biên độ đập mạch mô men tốc độ định mức: 27 Nm + Thời gian dòng điện đối xứng: 0.032s -79- - Mc = 60Nm + Ikđmax: 435 A + Thời gian khởi động: 0.75s + Mô men đập mạch max: 695Nm + Số lần đập mạch momen 33 lần + Biên độ đập mạch mô men tốc độ định mức: 27.8 Nm + Thời gian dòng điện đối xứng: 0.032s -80- - Mc = 70Nm + Ikđmax: 435 A + Thời gian khởi động: 0.83s + Mô men đập mạch max: 706 Nm + Số lần đập mạch momen 35 lần + Biên độ đập mạch mô men tốc độ định mức: 27.4 Nm + Thời gian dòng điện đối xứng: 0.032s -81- - Mc = 80Nm + Ikđmax: 435 A + Thời gian khởi động: 1.37s + Mô men đập mạch max: 719Nm + Số lần đập mạch momen 53 lần + Biên độ đập mạch mô men tốc độ định mức: 26.8Nm + Thời gian dòng điện đối xứng: 0.032s -82- - Mc = 85Nm • Nhận xét: - Dòng điện khởi động max trường hợp tải khác nhau - Điều dễ dàng nhận thấy tăng tải thời gian khởi động động tăng - Khi tải tăng lên mơ men đập mạch max tăng lên Số lần đập mạch mô men tăng lên Điều chứng tỏ tải tăng lên thành phần sóng hài bậc cao động tăng lên Động khởi động khó khăn -83- - Biên độ đập mạch mô men tải tăng lên giảm nhỏ - Thời gian dòng điện đối xứng trường hợp Thể dòng điện tự khởi động động với tải khác không thay đổi - Khi tăng tải đến 85Nm đặc tính tốc độ động gãy gục, động bị tải Do kết luận làm việc với biến tần khả mang tải động giảm xuống 3.5 Ảnh hưởng tần số sóng mang - Nghiên cứu ảnh hưởng tần số sóng mang ta thực biến tần ba bậc Động chạy không tải tần số f = 50hz + fm = 10000Hz -84- + f = 8000Hz + fm = 6000Hz -85- +fm = 4000Hz f = 2000hz +f = 2000Hz -86- +f = 1000Hz +f = 500Hz -87- • Nhận xét: + Khi thay đổi tần số sóng mang từ 10000Hz đến 2000Hz thành phần sóng hài bậc cao gần khơng có Biên độ đập mạch mơ men ổn định thay đổi khơng đáng kể Do chất lượng điện áp đầu biến tần thay đổi tần số sóng mang từ 10000Hz đến 2000Hz gần không thay đổi + Khi giảm tần số sóng mang xuống 2000Hz ta thấy xuất thành phần hài bậc cao Biên độ đập mạch mơ men tăng nhanh Do chất lượng điện áp biến tần với tần số sóng mang thấp khơng tốt 3.6 Kết luận - Các đặc tính động làm việc với biến tần xấu đáng kể so với làm việc với nguồn điện áp hình sin - Biên tần bậc cao chất lượng điện áp chưa tốt biến tần bậc thấp - Động làm việc tốt xung quanh tần số công nghiệp Khi tăng hoạc giảm tần số đặc tính động xấu - Khi làm việc với biens tần khả chịu tải động giảm Khi có tải động làm việc tốt so với làm việc không tải - Tần số sóng mang biến tần sử dụng tốt từ 2000Hz đến 10000Hz Nếu nhỏ tăng thành phần sóng hài động -88- KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN Việc nghiên cứu ảnh hưởng điện áp không sinđến hệ thống biến tần động ngày quan trọng Vì kết thể trọng thực tiễn nhiều Để nghiên cứu vấn đề ta thực xây dựng biến tần sử dụng công nghiệp nay, từ khảo sát hoạt động hệ thống đưa số kết luận sau đây: Bằng việc khảo sát ta thấy động làm việc với biến tần đặc tính bị xấu di đáng kể Trong thực tế người ta tưởng biến tần bậc cao chất lượng điện áp tốt Nhưng điều không hẳn đắn, thể qua việc mô với dạng biến tần khác luận văn Vùng tần số làm việc tốt vùng tần số xung quanh tần số công nghiệp Chúng ta không nên điều khiển động hoạt động vùng tần số ( tốc độ ) lớn nhỏ nhiều so với tần số công nghiệp Khi động làm việc với biến tần không nên để ddonongj làm việc chế độ khong tải, làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng động đáng kể Khi chế tạo biens tần cần ý đến việc thiết kế số sóng mang, dải tần số nghiên cứu Luận văn tác giả dừng lại việc nghiên cứu ảnh hưởng thông số đến hệ thống biến tần – động So sánh chất lượng hệ thống với nguồn điện áp chuẩn Mà chưa đưa giải thích cụ thể Việc nghiên cứu tìm nguyên nhân ảnh hưởng đến hệ thống hướng phát triển thêm luận văn -89- Tài liệu tham khảo [1] Nguyn Bớnh (1996), in tử công suất, Nhà xuất giáo dục [2] Võ Minh Chính- Phạm Q uốc Hải- Trần Trọng Minh (2005), Điện tử công suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Lê Văn Doanh- Nguyễn Thế Công-Trần Văn Thịnh (2004), Điện tử công suất, Lý thuyết-Thiết kế-Ứng dụng, tập I, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội [4] Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh (2006), Thiết kế máy điện Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội [5] Vũ Gia Hanh- Trần Khánh Hà- Phan Tử Thụ- Nguyễn Văn Sáu (1998), Máy điện, tập 1và 2, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội [6] Bùi Đức Hùng (1998), Nghiên cứu q trình động khởi động động khơng đồng bộ, Luận án Tiến sỹ khoa học kỹ thuật, ĐHBK [7] Hà Xuân Hoà (2005.), Điều khiển tối ưu lượng hệ truyền động điện biến tần- động không đồng , Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, ĐHBK –Hà nội [8] Bùi Quốc Khánh- Phạm Quốc Hải- Nguyễn Văn Liễn- Dương Văn Nghi (1999), Điều khiển tự động truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [9] Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến, Đoàn Quang Vinh (2004), Điều khiển động xoay chiều ấp từ biến tần bán dẫn, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội [10] Nguyễn Phùng Quang (2006), Truyền động điện thông minh, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội [11] Nguyễn Phùng Quang (1998), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất giáo dục, Hà nội -90- [12] Nguyễn Phùng Quang (2006), MATLAB&SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội [13] Nguyễn Vũ Thanh (2002), Khảo sát lượng trình q độ động khơng đồng cấp điện từ biến tần, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, ĐHBK, Hà nội [14] Đoàn Đức Tùng, Tổn hao từ trường sóng bậc cao động KĐB ba pha rơto lồng sóc, Luận án thạc sỹ kỹ thuật, ĐHBK, 2004 [15] Trần Thọ -Võ Quang Lạp Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện, NXB KHKT-2004 [16] Benbouzid M.E.H., Nait Said N.S (May 1998), An EfficiencyOptimization Controller for Induction Motor Drives, IEEE Power Engineering Review, pp.63-64 [17] Chandan Chakraborty, Minh C Ta, Toshiyuki Uchida,Yoichi Hori, Fast Search Controllers for Efficiency Maximization of Induction Motor Drives Based on DC Link Power Measurement, PCC-Osaka 2002, pp.402-408, 2002 IEEE [18] F Abrahamsen, Aalborg, Denmark (2002), Energy Optimal Control of Induction Motor Drives, Control in Power Electronics, Academic Press, trang 209-224 [19] Famouri P., Cathey J J.( 1991), Senior Member, IEEE, Loss Minimization Control of an Induction Motor Drive, IEEE Trans on Indus App., Vol.27, (No 1) [20] Garcia G.O., Mendes Luís J.C., Stephan R.M., Watanabe E.H ( Oct 1994), An Efficient Controller for an Adjustable Speed Induction Motor Drive, IEEE Trans on Indus Electro., Vol 41 (No 5) -91- [21] Kioskeridis I., Margaris N (Feb 1996), Loss Minimization in Induction Motor Adjustable-Speed Drives, IEEE Trans on Indus Electro., Vol 43 (No 1), pp 226-231 [22] Md Abdul Mannan, Toshiaki Murata, Junji Tamura, Takeshi Tsuchiya (2002), Efficiency Optimized Speed Control of Field Oriented Induction Motor Including Core Loss, PCC-Osaka 2002, pp.1316-1321 [23] Phillips Charles L., Harbor Royes D (2000), Feedback Control Systems – Upper Saddles River (J.N.), Prentice Hall [24] P.J Costa Branco A simple Adaptive Scheme for Indirect Field Orientation of an Induction Motor [25] Poirier E., Ghribi M., Kaddouri A (2001), Loss Minimization Control of Induction Motor Drives Based on Genetic Algorithms, IEEE, pp 475478 [26] Sul S.K., Member, IEEE, Park M.H., Member, IEEE (1988), A Novel Technology for Optimal Efficiency Control of a Current-Source Inverter-Fed Induction Motor, IEEE Trans on Power Electro., Vol (No 2) [27] Yang S.M, Lin F.C (2003), Loss-Minimization Control of Vector Controlled Induction Motor Drives, Journal of the Chinese Institude of Engineers, Vol 26 (No 1), pp 37-45 [28] Чан Ван Тхинь (Trần Văn Thịnh) (1987), Динамика и эергетика пуско - тормозных режимов асинхронного электропривода с к з двигателями, Одесса -92- ... cao không gian…………………………………51 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP KHÔNG SIN ĐẾN HỆ THỐNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ…………………… 56 3.1 Đặt vấn đề…………………………………………………………56 3.2 Ảnh hưởng điện áp không sin? ??…………………………….57... 1: Tổng quan hệ truyền động xoay chiều thay đổi tần số Chương 2: Xây dựng mơ hình hệ thống biến tần -động Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng điện áp không sin đến hệ thống biến tần – động -1- Xin... - Nguyễn Văn Ngoạn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP KHÔNG SIN ĐẾN HỆ THỐNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ Chuyên ngành: kỹ thuật điện LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC